李玉良院士/薛玉瑞Angew：锌金属界面的逐步诱导生长助力水系锌离子电池

可充水系锌离子电池（AZIBs）有望实现高能量密度、低氧化还原电位、低成本和安全性；然而，其循环性能严重不足，限制了该领域的发展。

中科院化学所李玉良、山东大学薛玉瑞等提出了一个在石墨烯（GDY）上形成的原子电极（AEs）的新概念。

图1. Zn/GDY-AEs的合成策略和可逆的沉积/剥离过程

具体而言，这项工作提出了一种新的、可逆的诱导金属纳米结构生长的方法，首次实现了在材料表面四步诱导生长，其可以从金属原子生长到大面积有序结构的异质结界面。

逐步诱导的锌-金属界面生长实现了高可逆的无枝晶水系电池：在沉积开始时将锌原子选择性地、均匀地、稳定地锚定在sp-和sp2杂化石墨烯（Zn/GDY）上，然后在GDY表面上诱导更大尺寸的金属簇的生长，这些锌簇在GDY表面继续生长为纳米平面结构，最后，在GDY上形成了一个新的异质结界面，即使在高电流密度下也没有任何锌枝晶和副反应。

图2. 沉积后电极的STEM图像和XPS分析

详细的形态和结构表征结果显示，这种分步诱导生长的方式极大地抑制了锌枝晶的形成，从而使AZIB的沉积/剥离可逆性和寿命得到显著提升。

例如，获得了更快的Zn²⁺沉积动力学（成核电位只有59.6 mV，而裸Zn为211.5 mV）、低水平的脱溶剂化能量消耗（44.99 kJ mol^-1 vs. 57.89 kJ mol^-1），以及对析氢和腐蚀的抑制。

因此，组装的对称电池在10.0 mA cm^-2的电流密度下实现了16000次循环的长期稳定性，并在30.0 mA cm^-2下实现了3800次循环。

总体而言，通过这种界面工程策略，作者希望基于GDY的保护层能够促进锌基电池的大规模应用，并解决类似体系中的迟缓动力学问题。

图3. 锌沉积过程的光学和SEM图像以及对称电池性能

Step by Step Induced Growth of Zinc-Metal Interface on Graphdiyne for Aqueous Zinc-Ion Batteries. Angewandte Chemie International Edition 2023. DOI: 10.1002/anie.202215968

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