由于枝晶生長(zhǎng)和界面寄生反應(yīng)，鋅陽(yáng)極顯示出較差的可逆性，這嚴(yán)重阻礙了水基鋅離子電池的實(shí)際應(yīng)用。因此，通過(guò)引入親水性石墨烯量子點(diǎn)（GQDs）以控制成核過(guò)程，成功設(shè)計(jì)了電化學(xué)穩(wěn)定的鋅陽(yáng)極。值得注意的是，GQDs較低的電負(fù)性增強(qiáng)了GQDs與Zn
2+之間的結(jié)合作用，這有利于加速鋅（Zn）的均勻沉積，從而得到?jīng)]有枝晶的穩(wěn)定Zn陽(yáng)極。同時(shí)，含氧基團(tuán)的量子點(diǎn)激發(fā)了界面氫鍵，有利于減輕水誘導(dǎo)的副反應(yīng)，改善Zn離子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。在0.8 mA cm−2時(shí)，對(duì)稱電池的極化電壓從80 mV降低到50 mV，延長(zhǎng)了使用壽命(達(dá)2200小時(shí))。因此，組裝的ZIBs（釩作為陰極）在循環(huán)600次后表現(xiàn)出164.3 mAh g−1的優(yōu)異性能。鑒于此，這項(xiàng)工作可能為合理調(diào)制電極/電解質(zhì)界面開辟了一條有前景的的途徑，推動(dòng)先進(jìn)水電池的發(fā)展進(jìn)程。
Figure 1. 不同氧官能團(tuán)吸附Zn離子的計(jì)算模型及相應(yīng)的結(jié)合能(a)。抑制枝晶生長(zhǎng)的原理示意圖(b)。
Figure 2. GQD的TEM（a、b）和 HRTEM（插圖）圖像。云母襯底上GQD的 AFM 圖像 (c) 和相應(yīng)的高度分布情況 A-B (d)。 (e)原始石墨和 GQD的XRD 圖案。(f)原始石墨和 GQD的拉曼光譜。(g) GQDs的FTIR光譜。 高分辨率C1s (h) 和 O1s (i) XPS光譜。
Figure 3. Zn||Zn 對(duì)稱電池在不同電流密度時(shí)（0.8 mA cm-2和2.0 mA cm-2）有/無(wú) GQDs 添加劑情況下，長(zhǎng)期循環(huán)曲線和相應(yīng)的電壓曲線（a-b）。不同電流密度下的倍率性能 (c) 和相應(yīng)的電壓滯后 (d)。
Figure 4. (a-b) 有/無(wú)GQDs時(shí)鋅陽(yáng)極在10次循環(huán)后的光學(xué)顯微鏡照片。在10 mA cm-2電流密度下電鍍30分鐘后，（c1-c4）有/無(wú)GQDs的情況下，鋅陽(yáng)極的SEM圖像。(d1-d4) 有/無(wú)GQDs時(shí)，Zn箔在循環(huán)20次后的 SEM 圖像。(e-h)有/無(wú)GQDs時(shí)，Zn 沉積層的共焦發(fā)光圖像。在普通電解質(zhì) (i, j) 和包含GQDs 電解液(k, l)中Zn 箔電極在循環(huán)20次后的 EPMA 映射圖像。
該研究工作由中南大學(xué)侯紅帥課題組于2021年發(fā)表在Nano Energy期刊上。原文：Graphene quantum dots enable dendrite-free zinc ion battery。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
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