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孫海珠/王紹磊/鄧明虓EnSM：球形鋅金屬生長機(jī)制助力超快沉積/剝離動(dòng)力學(xué)

水系鋅電池因其高安全性和大理論容量而受到廣泛關(guān)注。然而，鋅金屬負(fù)極固有的六邊形薄片堆積機(jī)制會(huì)導(dǎo)致鋅枝晶生長不可控，電化學(xué)性能較差。

圖1 材料表征及理論計(jì)算

東北師范大學(xué)孫海珠、王紹磊、鄧明虓等首次提出了利用石墨烯量子點(diǎn)（GQDs）通過沉積工藝輔助生長球形鋅金屬的創(chuàng)新機(jī)制。研究顯示，Zn²⁺與GQDs之間最強(qiáng)的吸附能會(huì)使GQDs優(yōu)先產(chǎn)生Zn團(tuán)簇，然后在GQDs周圍理想地形成Zn核。在隨后的剩余Zn²⁺沉積之后，在泡沫銅骨架上制備出均勻的復(fù)合Zn球。

值得注意的是，在重復(fù)沉積/剝離過程中，固定在基質(zhì)中的GQDs內(nèi)核總能導(dǎo)致可回收的球形鋅生長過程。結(jié)合鋅（002）的優(yōu)先晶體結(jié)構(gòu)，顯著的球形鋅金屬負(fù)極達(dá)到了穩(wěn)定的熱力學(xué)特性，從而有效抑制了鋅枝晶的生長和副反應(yīng)的發(fā)生。

圖2 半電池性能

受益于上述優(yōu)勢，在5 mA cm^-2和1 mAh cm^-2條件下，Cu@GQDs@Zn-10顯示出1861次循環(huán)的超長庫侖效率（CE）穩(wěn)定性，平均CE高達(dá)99.9%，即使在20 mA cm^-2的超高電流密度下，仍能保持908次循環(huán)的穩(wěn)定性。

此外，基于MnO₂正極的軟包全電池即使在變形狀態(tài)下也能驅(qū)動(dòng)LED。這項(xiàng)工作為設(shè)計(jì)新型鋅金屬負(fù)極提供了一種新的機(jī)制，徹底避免了傳統(tǒng)六邊形鋅金屬負(fù)極的天然缺陷，對水系鋅電池的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。

圖3 全電池性能

Spherical metal mechanism toward revolution of Zn growth for ultrafast plating/stripping kinetics. Energy Storage Materials 2023. DOI: 10.1016/j.ensm.2023.102934

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