摘要：锌离子水电池（AZIBs）具有成本低、操作安全和理论比容量高等优点，是前景广阔的下一代储能设备，因此备受关注。然而，包括枝晶生长、氢演化和腐蚀在内的界面不稳定性问题严重影响了锌阳极的可逆性。本文，南方科技大学曾林 教授团队在《Small》期刊发表名为“Syne

1成果简介

锌离子水电池（AZIBs）具有成本低、操作安全和理论比容量高等优点，是前景广阔的下一代储能设备，因此备受关注。然而，包括枝晶生长、氢演化和腐蚀在内的界面不稳定性问题严重影响了锌阳极的可逆性。本文，南方科技大学曾林 教授团队在《Small》期刊发表名为“Synergistic Effects of CuZn Nanoparticles and Graphene for Advanced Zinc Anodes in Aqueous Zinc-Ion Batteries”的论文，研究提出了一种新策略，采用锚定在石墨烯片（CZPG）上的铜锌合金纳米颗粒作为多面保护涂层。CZPG结构建立了一个双功能界面：石墨烯提供了高导电性通路和丰富的成核位点，而纳米铜锌粒子则表现出极佳的亲锌性和氢演化抑制性。合金的高脱锌电位与石墨烯的导电网络协同调节Zn2+通量分布和沉积动力学。

系统特性分析表明，CZPG 涂层在抑制寄生反应的同时，还能实现均匀的锌成核。因此，CZPG@锌对称电池在5.0mA-cm-2 和 2.5 mAh-cm-2 条件下实现了超过1300小时的显著循环稳定性，与裸锌电池相比，循环寿命延长了 24 倍。与KVO阴极搭配使用时，全电池在1000次循环后仍能保持81.9% 的容量保持率，比传统的锌阳极提高了10倍。这种通过合金-石墨烯混合涂层进行界面工程的方法为开发高性能AZIB提供了新的思路，为电网规模的能源存储应用展示了巨大的潜力。

2图文导读

图1、Schematic illustrating Zn electrodeposition behavior on bare Zn and CZPG@Zn anode in 2 m ZnSO4 aqueous electrolyte.

图2、Material characterization: a) XRD patterns of CZPG, CZP, and G; b) XPS survey of CZPG c) Adsorption–desorption isotherms and pore size distributions of CZPG; d,e) SEM, f,g) TEM, h) EDS, and i) HR-TEM images of CZPG@Zn; j) Contact angle measurement of bare Zn and CZPG@Zn.

图3、Electrochemical performances of CZPG@Zn, CZP@Zn, G@Zn, and bare Zn in symmetric cells: GCD curves of CZPG@Zn, CZP@Zn, G@Zn, and bare Zn symmetric cells at a) 0.5 mA·cm−2-0.5 mAh·cm−2, b) 5.0 mA·cm−2-2.5 mAh·cm−2, respectively; c) Rate performance of bare Zn and CZPG@Zn symmetric cells at various current densities from 0.5 to 8 mA·cm−2. d) Voltage evolution of Zn||Zn and CZPG@Zn||CZPG@Zn symmetric cells at step-increased current densities. e) SEM images of nucleation and growth; f) Operando optical microscope visualization of deposition at different times of bare Zn and CZPG@Zn.

图4、a) Linear polarization curves of CZPG@Zn and bare Zn; b) CV curves and c) CA curves of Zn||Ti and CZPG@Zn||Ti asymmetric cells; d) Nucleation overpotentials curves of bare Zn and CZPG@Zn anodes; e) CE and corresponding f) voltage profiles of CZPG@Zn||Cu asymmetric cells at 1 mA·cm −2 and 0.5 mAh·cm−2; g) “Reservoir” protocol for evaluating average Zn plating/stripping CE.

图5、Electrochemical performance of full batteries with CZPG@Zn, CZP@Zn, G@Zn, and bare Zn anodes: a) CV curve of CZPG@Zn||KVO at a scan rate of 0.2 mV·s−1; Cycling performance of four kinds of batteries b) 5 A⋅g−1 and c) 0.5 A⋅g−1; d) The rate performances of four kinds of batteries; e) Nyquist plots of Zn||KVO and CZPG@Zn||KVO cells. f) CV curves at various scan rates; g) log(i) and log(v) plots at specific peak currents; h) The percentages of capacitive and diffusion contributions at different scan rates; i) Capacitive contribution at 0.1 mV·s−1 of CZPG@Zn||KVO; GITT curves and calculated diffusion coefficients of j) CZPG@ Zn||KVO and k) bare Zn||KVO.

3小结

总之，均匀锚定在石墨烯片（CZPG）上的铜锌纳米粒子被用作锌阳极表面的保护层。由于其亲锌性强、脱锌电位高，CuZn 纳米粒子可在 2 m ZnSO4 水电解质中实现均匀的锌成核。铜锌纳米粒子和石墨烯之间的协同效应源于它们的大表面积和出色的导电性。铜锌纳米粒子作为成核位点发挥了关键作用，有效降低了成核过电位，促进了锌的均匀沉积，显著抑制了锌阳极表面的 “尖端效应 ”和枝晶生长。此外，掺氮碳层和石墨烯提供了多个活性位点，并调节纳米通道以改善电子传输和 Zn2+ 容纳，从而使锌阳极表面的 Zn2+ 浓度场均匀。这种综合方法确保了更高效、更稳定的镀锌/剥离过程。因此，在电流密度为 5.0 mA-cm-2 和 2.5 mAh-cm-2 时，CZPG@Zn||CZPG@Zn 对称电池的寿命可延长至 1300 小时以上。此外，CZPG@Zn||KVO 全电池表现出卓越的循环稳定性，在 5A-g-1 条件下循环1000次后，容量保持率达到 81.9%。这项工作为构建高性能锌阳极提供了一种前景广阔的方法，并为锌离子水电池的实际应用提供了启示。

文献：

来源：材料分析与应用

来源：石墨烯联盟