随着人们对可穿戴和便携式电子产品的需求快速增长推动了柔性锌离子电池 (ZIB) 的发展。然而，枝晶生长和锌金属阳极柔韧性低的问题仍然阻碍了它们的实际应用。在此，提出了在碳布上原位生长三维氮掺杂垂直石墨烯纳米片(N-VG@CC)，以实现均匀的锌成核，从而获得无枝晶且坚固的锌阳极。如密度泛函理论计算所证实的，N-VG中引入的含锌基团通过增强锌离子与碳衬底之间的相互作用有效地降低了Zn核的成核过电位，从而实现了Zn核的均匀分布。此外，三维纳米片阵列可以使电分布均匀，优化了后续的Zn沉积过程，实现了高度可逆的Zn电镀/剥离过程。因此，与 Zn@CC 相比，所制备的 Zn@N-VG@CC 阳极表现出更好的整体电化学性能。作为概念验证应用，高性能 Zn@N-VG@CC 电极与 MnO₂@N-VG@CC（沉积在N-VG@CC）作为阴极。更重要的是，柔性 ZIB 表现出令人印象深刻的循环稳定性，300 次循环后容量保持率为 80%，并具有出色的机械柔韧性，表明在便携式和可穿戴电子产品方面具有广阔的潜力。
 
  
Figure 1. N-VG@CC和Zn@N-VG@CC的制备和表征。（a）制备N-VG@CC和Zn@N-VG@CC电极的示意图。（b，c）N-VG@CC不同放大倍数的SEM图。（d）Zn@N-VG@CC的SEM图。（e）N-VG@CC和Zn@N-VG@CC的XRD图。Zn@N-VG复合材料的（f）TEM和（g）EDX映射。(f)的插图显示了电沉积Zn的HRTEM图。
 
 
Figure 2. N-VG对Zn沉积的影响。（a）CC和N-VG@CC电极上的Zn沉积示意图。（b）N-VG的XPS谱。（c）N-VG的N 1s高分辨率XPS谱。（d）具有吡啶 N (pnN)、吡咯N (prN)、边缘上的四元N (qN)和体相中的四元N(qnN)的N-VG 的示意图。（e）Zn 原子与石墨烯(G)和不同N官能团的结合能。吸附在（f）G和 （g）N-VG上的Zn²⁺的电荷密度差异（黄色和浅蓝色区域分别代表正负电荷差异）。
 
 
Figure 3. CC和N-VG@CC电极上锌镀层/剥离行为的探索。（a）不同电流密度下的Zn成核过电位。（b）N-VG@CC//Zn和CC//Zn 电池在 5 mA cm^-2 下电镀/剥离锌的电导率CE，容量为2 mAh cm^-2。（c）N-VG@CC和（d）CC在2mA cm^-2下镀Zn 后的SEM图，容量为2 mAh cm^-2。（e）N-VG@CC和（f）CC在5 mA cm^-2下镀 Zn后的SEM图，容量为5 mAh cm^-2。（g）Zn@CC电极和（h）Zn@N-VG@CC 电极在Zn核形成后的电场分布模型。
 
 
Figure 4. Zn@CC和Zn@N-VG@CC电极的稳定性测试。Zn@CC和Zn@N-VG@CC对称电池在（a）0.5 mA cm⁻²容量为0.5 mAh cm⁻² 和（b）1 mA cm⁻² 容量为1.0 mAh cm⁻²时的电压分布。（c）Zn@CC和Zn@N-VG@CC对称电池在 0.5至2.0 mA cm^-2 的电流密度下的倍率性能。（d）Zn@CC和（e）Zn@N-VG@CC对称电池在不同电流密度下的电压分布。
 
  
Figure 5. 硬币ZIBs的电化学性能。（a）CV，（b）GCD，（c）EIS，（d）循环稳定性和（e）基于Zn@CC和Zn@N-VG@CC阳极的硬币ZIBs的倍率性能的比较。
 
  
Figure 6. 以PVA/Zn(CF₃SO₃)₂为凝胶电解质的柔性准固态ZIB的电化学性能。（a）柔性准固态ZIB的原理结构。（b）PVA/Zn(CF₃SO₃)₂凝胶电解质和2 M ZnSO4水溶液(1.0 A g⁻¹)中ZIB的GCD曲线比较。（c）准固态ZIB在不同电流密度下的GCD曲线。（d）准固态ZIB的循环性能和电导率CEs。（e）准固态ZIB与其他报道的储能装置的Ragone图。（f）准固态ZIB在不同变形状态下的容量保持率。（g-j）两个准固态ZIB串联的柔性演示。
 
        相关研究成果由西北工业大学Cao Guan课题组和新加坡国立大学Zhenghui Pan课题组于2021年发表在《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》（https://doi.org/10.1002/adfm.202103922）上。原文：Regulating Dendrite-Free Zinc Deposition by 3D Zincopilic Nitrogen-Doped Vertical Graphene for High-Performance Flexible Zn-Ion Batteries。

转自《石墨烯杂志》公众号