加拿大滑铁卢大学Michael Fowler教授Carbon Energy:双掺杂石墨烯量子点促进长寿命水基锌离子电池的发展

学术   2025-02-05 08:32   四川  

Carbon Energy


研 究 背 景



随着社会的快速发展,对高性能、高安全性电池技术的需求日益迫切。传统锂离子电池因依赖有机电解质,存在短路和热失控风险,可能导致爆炸和火灾。水系锌离子电池(AZIBs)因其使用水作为主要电解质成分,具有更高的安全性,成为能源存储领域的新兴选择。然而,AZIBs的锌金属阳极存在锌枝晶生长和界面副反应等问题,限制了其实际应用。


成 果 介 绍



近日,加拿大滑铁卢大学Michael Fowler教授等人在Carbon Energy “Dual‐Doped Graphene Quantum Dots to PromoteLong‐Life Aqueous Zn‐ion Batteries”为题发表了一项突破性研究成果,提出了一种基于氮、硫双掺杂石墨烯量子点(N, S-GQDs)的新型固体电解质界面(SEI)设计,显著提升了水系锌离子电池的循环寿命和稳定性。实验表明,经过N, S-GQDs修饰的锌阳极在对称电池中实现了超过800小时的长循环寿命,并在Zn|V2O5电池中展现出超过1400次循环后仍保持80%以上的容量保持率。


研 究 亮 点



1.创新性SEI设计:通过氮、硫双掺杂石墨烯量子点构建了亲水/疏水两性SEI,有效调控了锌离子的溶剂化/脱溶剂化结构。

2.显著提升电池性能:锌阳极的循环寿命和稳定性大幅提升,为水系锌离子电池的实际应用提供了新的可能。

3.多维度表征手段:结合多种先进表征技术,深入解析了N, S-GQDs对锌阳极界面行为和锌沉积形态的影响。


图 文 解 析



图1:N, S-GQDs的合成与表征

研究团队采用一步水热法合成了N, S双掺杂石墨烯量子点。通过原子力显微镜(AFM)和透射电子显微镜(TEM)观察到,N, S-GQDs尺寸均匀,分布在4-6纳米之间,具有高结晶性。X射线光电子能谱(XPS)和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)进一步确认了氮和硫的成功掺杂。

图2:电化学性能测试

实验表明,经过N, S-GQDs修饰的锌阳极在高电流密度下展现出极高的稳定性。在Zn|V₂O₅全电池中,经过1400次循环后容量保持率超过75%,且充放电曲线显示出较低的极化。电化学阻抗谱(EIS)测试也表明,N, S-GQDs的加入显著降低了界面动力学。

图3:锌金属形貌与沉积分析

通过扫描电子显微镜(SEM)观察到,经过N, S-GQDs修饰的锌阳极表面沉积均匀,无明显副产物积累,而未修饰的锌阳极表面则出现明显的枝晶生长和副产物嵌入。接触角测试显示,N, S-GQDs修饰的锌阳极具有更好的润湿性,有助于电解液与锌金属界面的接触。

图4:锌离子沉积行为分析

原位光学显微镜和原位透射X射线显微镜(TXM)观察到,N, S-GQDs修饰的锌阳极表面沉积致密,无明显枝晶结构。原子力显微镜(AFM)和计算机断层扫描(CT)进一步揭示了修饰后的锌阳极沉积形态更为均匀,具有更低的比表面积,减少了副反应的发生。

图5:锌离子溶剂化结构分析

通过扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)表征,发现N, S-GQDs的加入显著降低了锌离子周围氧的配位数,表明氮的引入部分取代了水分子的配位,减少了脱溶剂化过程中的水分子数量,加速了锌离子的脱溶剂化动力学。


研 究 小 结



本研究通过氮、硫双掺杂石墨烯量子点设计了一种新型的亲水/疏水两性SEI,显著提升了水系锌离子电池的性能。N, S-GQDs不仅优化了锌离子的沉积行为,减少了枝晶生长,还通过调控锌离子的溶剂化结构,加速了脱溶剂化过程。这一成果为高性能、长寿命水系锌离子电池的设计提供了新的思路,有望推动其在实际应用中的进一步发展。




相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy,点击“阅读原文”查看论文。


论文标题:

Dual‐Doped Graphene Quantum Dots to PromoteLong‐Life Aqueous Zn‐ion Batteries


文章研究方向:

电池材料— —水基锌离子电池


论文网址:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.694


DOI: 10.1002/cey2.694




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关于Carbon Energy

Carbon Energy(《碳能源(英文)》)由温州大学和Wiley携手创办,聚焦清洁能源、光电催化、新型碳制造、碳减排等领域,旨在成为国内外优秀科研成果展示的高端平台、国家重大科研战略的助推器和广大科研工作者喜爱阅读的科研工具,立志成为未来“碳时代”高影响力的学术旗舰期刊。

Carbon Energy 2018年创刊,同年入选中国科技期刊卓越行动计划“高起点新刊”,连续三年获“中国最具国际影响力学术期刊”称号,连续四年入选科技期刊世界影响力指数(WJCI)报告,2022和2023年入选中科院材料科学一区期刊,相继被DOAJ、CAS、ESCI、Scopus、SCIE、INSPEC、CSCD、OAJ等收录,2024年获得第三个影响因子19.5,并入选中国科技期刊卓越行动计划二期英文梯队期刊和2024年度中国高校科技期刊建设示范案例库杰出科技期刊入库案例,作为参与期刊,期刊群成功入选中国科技期刊卓越行动计划集群(集团)化试点项目。


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