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水系鋅離子電池的金屬鋅負極存在不可控的枝晶生長和副反應問題，導致循環(huán)穩(wěn)定性差，特別是在高倍率和高容量時尤為嚴重。

在此，南方科技大學曾林教授、趙天壽院士等人開發(fā)了兩種三維分層石墨烯，由氮摻雜石墨烯納米纖維團簇組成，錨定在改性多通道碳的垂直石墨烯陣列上。擁有徑向碳通道的石墨烯基體具有高的比表面積和孔隙率，其可以有效地減小表面局部電流密度，操縱Zn²⁺離子濃度梯度，均勻化電場分布，調(diào)節(jié)Zn沉積。

?南科大Nat. Commun.：3D分層石墨烯基質(zhì)為水系鋅電池提供穩(wěn)定的鋅負極

圖1. 結(jié)構(gòu)和形態(tài)特征

總之，該工作利用獨立的、親鋅的3D分層石墨烯：包括n摻雜GF簇，VGS和多通道碳來構(gòu)建具有高性能和穩(wěn)定的Zn復合負極。通過一步熱CVD工藝合成的3D-RFGC基質(zhì)具有高表面積、均勻孔隙率，有效減輕局部電流密度，降低Zn²⁺離子濃度梯度，保證電場分布均勻，調(diào)節(jié)Zn沉積。對具有豐富親鋅位點的垂直石墨烯 (VGs)和石墨烯納米纖維團族(GFs)進行表面改性，可實現(xiàn)具有高電流密度和高表面積容量的高性能鋅金屬負極。

因此，該工程3D-RFGC@Zn負極在120mAcm^-2的高電流密度下，在3000次循環(huán)后仍保持99.67%的CE和較低的過電位，采用3D-RFGC@Zn負極的對稱電池在7200次循環(huán)中表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。因此，這種采用3D石墨烯基質(zhì)作為鋅負極的策略為開發(fā)能夠在高倍率、高容量和高放電深度條件下工作的金屬負極提供了一個有希望的途徑。

圖2. 3D-RFGC@Zn負極組裝全電池和電容器的電化學性能

3D hierarchical graphene matrices enable stable Zn anodes for aqueous Zn batteries, Nature Communications 2023 DOI:10.1038/s41467-023-39947-8

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