由于枝晶生長和界面寄生反應，鋅陽極顯示出較差的可逆性，這嚴重阻礙了水基鋅離子電池的實際應用。因此，通過引入親水性石墨烯量子點（GQDs）以控制成核過程，成功設(shè)計了電化學穩(wěn)定的鋅陽極。值得注意的是，GQDs較低的電負性增強了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陽極。同時，含氧基團的量子點激發(fā)了界面氫鍵，有利于減輕水誘導的副反應，改善Zn離子反應動力學。在0.8 mA cm−2時，對稱電池的極化電壓從80 mV降低到50 mV，延長了使用壽命(達2200小時)。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，推動先進水電池的發(fā)展進程。
Figure 1. 不同氧官能團吸附Zn離子的計算模型及相應的結(jié)合能(a)。抑制枝晶生長的原理示意圖(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 對稱電池在不同電流密度時（0.8 mA cm-2和2.0 mA cm-2）有/無 GQDs 添加劑情況下，長期循環(huán)曲線和相應的電壓曲線（a-b）。不同電流密度下的倍率性能 (c) 和相應的電壓滯后 (d)。
Figure 4. (a-b) 有/無GQDs時鋅陽極在10次循環(huán)后的光學顯微鏡照片。在10 mA cm-2電流密度下電鍍30分鐘后，（c1-c4）有/無GQDs的情況下，鋅陽極的SEM圖像。(d1-d4) 有/無GQDs時，Zn箔在循環(huán)20次后的 SEM 圖像。(e-h)有/無GQDs時，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
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