實現碳中和的雄心勃勃的藍圖在很大程度上激發(fā)了人們推動大規(guī)模電網存儲的巨大熱情，這種存儲具有環(huán)保、成本效益以及安全特性。盡管鋰離子電池取得了巨大的商業(yè)成功，但長期以來對不可避免的安全隱患和鋰天然儲量不足的擔憂嚴重地籠罩著發(fā)展前景。當前，高容量Zn金屬負極的實際應用受到枝晶生長和伴隨的界面寄生反應的嚴重困擾。

受到零維碳點的先進優(yōu)點的啟發(fā)，來自中南大學的學者設想功能性碳點可以作為一種有前途的固體電解質保護層來提高Zn負極的電化學性能。本文采用一鍋水熱法成功地實現了CDs的規(guī)?；苽?，它可以作為一種多功能的界面層，通過刮刀法制備了穩(wěn)定Zn負極。通過密度泛函理論、FeS的計算分析，以及原位光學顯微鏡和電子探針的實驗結果，本文證實了親Zn的惰性CDs薄膜不僅可以誘導Zn的均勻沉積，抑制枝晶的生長，而且由于對SO42?的靜電斥力和水與Zn的接觸較少而導致的Zn侵蝕和水的反應性降低，這一點可以通過現場光學顯微鏡和電子探針的實驗結果來驗證。因此，利用CDs中間層的兩個關鍵功能，本文改善了Zn離子的反應動力學，提高了Zn電極的電化學穩(wěn)定性。

具有高度可逆性的CDs層電極不僅可以使對稱電池在1 mA cm?2時具有穩(wěn)定的電壓滯后，持續(xù)工作3000h，而且極大地提高了Zn銅不對稱電池的庫侖效率(在0.5 mA cm?2下，1000次循環(huán)的庫侖效率為99.3%，固定容量為0.5 mAh cm?2)?？上驳氖牵斉cNa摻雜的V2O5(NVO)正極配對時，還獲得了優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性(5A g?1循環(huán)2500次后容量為139.2 mAh g?1)和優(yōu)異的倍率性能(0.5A g?1的容量保持率為97.6%)。相關文章以“High-Yield Carbon Dots Interlayer for Ultra-Stable Zinc Batteries”標題發(fā)表在Advanced Energy Materials。

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https://doi.org/10.1002/aenm.202200665

圖1.理論模擬和原理圖。Zn在a)氰基和b)醛上吸附的計算模型及相應的結合能。c)裸Zn電極和d)Zn@CDs電極的電磁場分布。e)繪制了CDs穩(wěn)定金屬Zn電極的示意圖。

圖2.?制備材料的特性。a） CDs的光學成像和b）Zeta電位。c） CDs的FTIR光譜。d）C1s，e）N1s和f）o1的反褶積高分辨率XPS光譜。g） 功能性CDs的TEM圖像。

圖 3.CD涂層對Zn負極的影響。裸Zn電極和Zn@CDs電極在a）1 mA cm?2和b）4 mA cm?2處的對稱電池的循環(huán)性能。c） Zn@CDs對稱電池在各種密度下的速率性能。d） 對稱電池在1 mA cm?2下循環(huán)10次后的EIS結果。e） 裸Zn和Zn@CDs在1 mA cm?2的對稱電池中的電壓-時間分布。f） 過電位?200 mV時的計時安培圖與使用三電極系統的開路電位的對比。g） Zn的庫倫效率測試||銅電池和相應的電壓在各種周期內分布。

圖 4.光學顯微鏡研究和Zn電鍍行為的EPMA分析。在10 mA cm?2下，對稱電池中a）Zn電極和b）Zn@CDs電極上Zn鍍層行為的原位光學顯微鏡圖像。光學顯微鏡圖像和c）裸Zn和d）的相應高度分布在1 mA cm?2下經過10個循環(huán)后的Zn@CDs的容量為1 mAh cm?2。e，f）裸Zn電極和g，h）在1 mA cm?2下循環(huán)10次后Zn@CDs電極的EPMA映射圖像。

圖 5.CD層對Zn可逆性和副反應的影響。a）裸Zn（a1，a2）和Zn@CDs（a3，a4）經過25個周期（a1，a3）和50個周期（a2，a4）的SEM圖像以及相應的b）橫截面圖像。掃描速率為1 mV s?1的CV曲線從?0.2到0.4 V：c）第一周期，d）循環(huán)后的裸Zn，e）循環(huán)后的Zn@CDs。f） 在2 mA cm?2下循環(huán)測試后的XRD圖譜，沉積量為1 mAh cm?2。g） 線性極化曲線顯示采用三電極體系的Zn負極的腐蝕速率。h） 1 M Na2SO4中的析氫極化曲線。

圖6.Zn||NVO全電池上的CDs層的功能。a)循環(huán)伏安曲線和b)裸Zn負極和Zn@CDs負極全電池的自放電行為。C)在0.5A g?1下負極為裸Zn和Zn為CDs的NVO全電池的循環(huán)性能.d） 在 0.2 至 4 A g?1的不同電流密度下的速率能力。e） 5 A g?1下的長時間循環(huán)性能。

綜上所述，本文通過一種低成本、高效的鍍膜技術，在鋅負極上設計并構建了一層致密穩(wěn)定、富含乙醛和氰基的硫化鎘薄膜。實驗表征和理論計算協同揭示了多功能功能硫化鎘保護層穩(wěn)定鋅負極的機理。含親鋅組分的功能硫化鎘與鋅的結合能較強，NOP較低，成核位較多。同時，一層量子尺寸的硫化鎘可以改善表面的電場分布，誘導鋅均勻沉積，從而獲得無枝晶的鋅負極形態(tài)。同時，通過不溶的、電負性的人工界面層，避免了鋅負極與電解液的過度接觸，同時實現了SO42-與硫化鎘之間的排斥作用，有助于減輕鋅的表面腐蝕和HER。

因此，與NVO正極材料配合使用時，組裝的Zn@CDs||NVO電池在5A g?1的高電流密度下，容量為139.2 mAhg?1，在2500次循環(huán)中也表現出優(yōu)異的穩(wěn)定性。本研究為開發(fā)親鋅的CDs作為穩(wěn)定的無樹枝狀金屬負極的界面保護層開辟了一條新的途徑，這可能會加速CDs在儲能領域的發(fā)展。

編輯：黃飛

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