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樓雄文AM：親鋅銅位點(diǎn)協(xié)同氮摻雜碳纖維實(shí)現(xiàn)2000次循環(huán)鋅金屬電池

鋅金屬負(fù)極(ZMAs)的實(shí)際應(yīng)用主要受到鋅枝晶生長(zhǎng)和副反應(yīng)導(dǎo)致的有限壽命和低庫(kù)侖效率(CE)的阻礙。

新加坡南洋理工大學(xué)樓雄文等合理設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了一種由嵌入Cu納米盒的N摻雜碳纖維組成的三維多功能主體（表示為Cu NBs@NCFs），以實(shí)現(xiàn)高度可逆的ZMAs。

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圖1. 材料制備及表征

具有中空內(nèi)部和足夠空隙空間的3D框架不僅可以容納Zn沉積物并抑制Zn枝晶生長(zhǎng)，還可以降低局部電流密度并緩沖快速的體積變化。實(shí)驗(yàn)觀察和DFT計(jì)算表明，具有強(qiáng)Zn結(jié)合能力的親鋅Cu和Cu-Zn固溶體可以有效降低Zn的成核過(guò)電位，使Zn沉積均勻化。此外，這種分級(jí)Cu NBs@NCFs主體可能會(huì)促進(jìn)具有更多暴露（002）面的Zn的沉積，有利于光滑和致密的Zn沉積。

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圖2. 半電池性能

正如預(yù)期的那樣，Cu NBs@NCFs主體可以在5 mA cm^-2下以高CE的Zn沉積/剝離維持超過(guò)1000次循環(huán)。此外，Cu NBs@NCFs-Zn對(duì)稱電池在2 mA cm^-2和1 mAh cm^-2下具有超過(guò)450小時(shí)的長(zhǎng)期循環(huán)壽命，并具有低電壓滯后。

當(dāng)與Mn₂O₃-ZnMn₂O₄正極結(jié)合使用時(shí)，組裝的全電池表現(xiàn)出低極化、良好的倍率性能和出色的2000次循環(huán)耐久性。預(yù)計(jì)這項(xiàng)工作將為設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)用于下一代可充電池的無(wú)枝晶和穩(wěn)定ZMA的3D親鋅主體提供有價(jià)值的見(jiàn)解。

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圖3. 全電池性能

Nitrogen-Doped Carbon Fibers Embedded with Zincophilic Cu Nanoboxes for Stable Zn Metal Anodes. Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202200342

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