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水系鋅離子電池的金屬鋅負極存在嚴重的枝晶和副反應問題，這會導致循環穩定性差，尤其是在高倍率和高容量情況下。

圖1 材料制備及表征

南方科技大學曾林、趙天壽院士等提出了一種利用自支撐、輕質、親鋅的三維分層石墨烯基質（包括摻雜 N 的石墨烯納米纖維簇、垂直石墨烯陣列和多通道碳基質）來構建具有優異倍率和容量的高性能、穩定鋅復合負極的新方法。

具體而言，通過一步熱 CVD 工藝合成的 3D-RFGC 矩陣具有高表面積、多孔性和均勻的多孔結構，可有效降低局部電流密度，減少Zn²⁺離子濃度梯度，并確保均勻的電場分布以調節Zn沉積。

因此，具有豐富親鋅位點的垂直石墨烯陣列（VGs）和石墨烯納米纖維簇（GFs）的表面修飾促進了具有高電流密度和表面積容量的高性能鋅金屬負極的實現。

圖2 不同電極在半電池中的電化學性能

電化學測試顯示，工程化的3D-RFGC@Zn負極在120 mA cm^-2的高電流密度下，經過3000次循環后，CE值達到99.67%，過電位更低，令人印象深刻。

采用3D-RFGC@Zn負極的對稱電池在7200次循環過程中表現出卓越的穩定性，具有平坦沉積和快速動力學的特點。尤其值得注意的是，3D-RFGC@Zn負極在電流密度為80 mA cm^-2時表現出色，可在2400小時內以80 mAh cm^-2的超高容量穩定運行。

此外，當將這些三維石墨烯基質加入V₂O₅@3D-LC/3D-RFGC@Zn、MnO₂@3D-LC/3D-RFGC@Zn和AC@3D-LC/3D-RFGC@Zn電容器等全電池中時，由于它們能夠促進鋅的均勻沉積，因此有助于實現優異的倍率性能和顯著改善的循環穩定性。這種采用三維石墨烯基質作為鋅負極的策略為開發能夠在高倍率、高容量和高放電深度條件下工作的金屬負極提供了一條前景廣闊的途徑。

圖3 用于全電池和電容器的3D-RFGC@Zn負極的電化學性能

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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趙天壽/曾林Nature子刊：三維分層石墨烯基質助力穩定的鋅負極

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