![]()
1.背景介绍
水性锌离子电池(AZIBs)被视为大规模储能系统极具前景的选择。然而，裸锌阳极的表面存在电场不规则分布、易发生析氢反应(HER)和生成多孔副产物Zn4(OH)6(SO4)·5H2O(ZHS)，这些固有问题为AZIBs的实际应用带来了重大障碍。聚(3,4-乙二氧噻吩)(PEDOT)是一种聚噻吩衍生物，具有出色的成膜性能和高电导率，通过加入聚电解质聚苯乙烯磺酸(PSS)能够结晶PEDOT的水溶性有限的问题。基于此，本文将类石墨烯氮化碳(g-C3N4)和PEDOT:PSS导电聚合物(CP)结合在一起，形成了一种混合离子-电子传导膜，用于AZIBs时具有许多优势。薄膜中g-C3N4的存在产生了屏蔽效应，导致PEDOT:PSS中的PEDOT链从受限卷曲构象转变为扩展线性构象。在这种结构转变之后，链通过涉及π-π堆叠和疏水相互作用的物理交联机制相互连接。
2.图文概述
![]()
图1.(a) Zn@g-C3N4/CP制备过程;(b) Zn@g-C3N4/CP电极的横截面SEM及其对应的C、N、O、S和Zn的EDS;(c) 裸锌和Zn@g-C3N4/CP与2 M ZnSO4电解质的接触角;g-C3N4/CP在2 m ZnSO4电解质中浸泡前后的(d) S 2p和(e) N 1s XPS;(f) 裸SS和SS@g-C3N4/CP的Nyquist图和离子电导率;(g) 三电极系统中裸锌和Zn@g-C3N4/CP的LSV;(h) 裸锌和Zn@g-C3N4/CP的Arrhenius曲线.要点：通过喷涂策略成功制备了Zn@g-C3N4/CP改性锌阳极，其展现出良好的机械性能和润湿性。XPS分析表明g-C3N4与CP成功复合，并与Zn2+有强烈相互作用。改性锌阳极的Zn2+迁移数高达0.63，离子电导率显著提升，有利于Zn2+传输，并且其HER起始过电位负移，活化能降低，电荷转移电阻减小，表明g-C3N4/CP涂层能抑制析氢反应，加速Zn2+去溶剂化过程，并增强Zn2+沉积/剥离动力学。
![]()
图2.(a) 在电流密度为2 mA cm-2、容量为1 mAh cm-2的条件下，Zn||Cu和Zn@g-C3N4/CP||Cu非对称电池的CE;(b) 非对称电池中锌在铜箔上沉积的成核过电位;(c) 裸Zn||Cu和Zn@g-C3N4/CP||Cu非对称电池的CV曲线;(d)裸锌和(e)Zn@g-C3N4/CP电极在2 M ZnSO4电解液中浸泡5至20天的XRD;(f) 浸泡测试后5天和10天的裸锌和Zn@g-C3N4/CP的SEM;(g) 循环过程中原位pH监测.要点：Zn@g-C3N4/CP电极相较于裸锌电极，在Zn||Cu半电池评估中表现出更高的CE和更长的循环稳定性，并且成核过电位较低，能量势垒有所降低，且能有效防止锌的化学腐蚀。在浸泡实验中，Zn@g-C3N4/CP涂层保持了完整性，而裸锌电极形成了大量腐蚀副产物。![]()
图3. (a-b) 裸锌或Zn@g-C3N4/CP电极的对称电池的长循环性能;(c) 对称电池在1至20 mA cm−2电流密度范围内的倍率性能，固定容量为1 mAh cm−2;(d) 在不同电流密度下的相应电压滞后; 1 mA cm−2电流密度，5 mAh cm−2容量下沉积后的(e)裸锌电池和(f) Zn@g-C3N4/CP电池的SEM;(g) 5 mA cm−2电流密度，1 mAh cm−2容量下剥离后的Zn@g-C3N4/CP电池的SEM; 循环后(h)裸锌和(i)Zn@g-C3N4/CP的AFM;(j) g-C3N4/CP薄膜通过混合CP链的滑动实现能量耗散和力释放过程的示意图;在2 mA cm−2电流密度下(k)裸锌和(l) Zn@g-C3N4/CP的原位OM.要点：Zn@g-C3N4/CP对称电池表现出卓越的电化学性能和循环稳定性，优于裸露锌阳极。涂层通过抑制锌枝晶生长和促进锌的均匀沉积，显著提高了锌阳极的耐久性，还促进了快速的Zn2+传输动力学和锌阳极的优异可逆性。在高电流密度下，Zn@g-C3N4/CP电池展现出低极化电压和稳定的倍率性能。![]()
图4.裸锌和Zn@g-C3N4/CP的(a) 对称电池CA曲线;(b) 扩散模型;(c) 线性极化曲线;(d) 长循环后对称电池的体积膨胀情况;(e) 循环后对称电池的XRD及（f) I(002)/I(100)峰强度比;(g-h) 电镀过程中裸锌阳极和Zn@g-C3N4/CP阳极的COMSOL有限元模拟.要点：g-C3N4/CP涂层能有效诱导锌均匀成核与沉积，抑制垂直枝晶生长，显著提高循环稳定性，与裸锌相比，改性锌的腐蚀速率显著降低，涂层还能有效抑制析氢反应和腐蚀，保持电池原形，XRD分析表明，覆盖层使锌沉积物与(002)晶面一致，COMSOL模拟进一步证明，其能调节界面电场分布，消除凸起，促进锌均匀沉积，实现无枝晶形态。这些结论共同揭示了g-C3N4/CP在锌离子电池中的积极作用。![]()
图5.裸Zn||δ-MnO2/FG和Zn@g-C3N4/CP||δ-MnO2/FG全电池的(a)CV曲线;(b)交流EIS;(c)倍率性能;(d)自放电测试；(e)两个串联的Zn@g-C3N4/CP||δ-MnO2/FG软包电池的应用;(f) 100 mA g-1下软包电池在不同形变状态下的容量;(g)软包电池的应用演示.要点：Zn@g-C3N4/CP阳极设计显著提升了AZIB的电化学性能，包括更高的电化学活性、更低的电化学极化和更优的倍率性能。与裸锌阳极相比，改性全电池表现出更高的容量保持率和长期循环稳定性。此外，Zn@g-C3N4/CP软包电池展现出良好的机械柔性和实际应用潜力，能够在不同形变状态下保持高性能，为柔性储能应用提供了广阔前景。3.总结
本文通过喷涂g-C3N4/CP覆盖层成功制备了一种高性能锌阳极，该阳极具有高均匀性、出色的稳定性和可扩展性。引人注目的是，在g-C3N4的协助下，可以构建出PEDOT和PSS链之间的三维且高度共轭的网络结构。由此产生的PEDOT和PSS链的相分离显著降低了锌阳极的界面电阻，并使表面电场分布更加均匀。此外，g-C3N4/CP层富含亲锌的含氮物种和─SO3−基团。这些组分在通过干扰Zn(H2O)62+的溶剂化结构来促进Zn2+扩散方面发挥着关键作用，从而降低了活化能垒。这种溶剂化结构的破坏同时抑制了HER和其他副反应。因此，Zn@g-C3N4/CP阳极表现出卓越的循环性能、极小的电压滞后和均匀的无枝晶表面。特别是，组装的Zn@g-C3N4/CP||δ-MnO2/FG全电池在0.5 A g−1的电流密度下经过1000次循环后，仍展现出126.6 mAh g−1的惊人容量。
点击下方“阅读原文”标签浏览原文
