中南大学侯红帅课题组--石墨烯量子点使无枝晶锌离子电池成为可能

由于枝晶生长和界面寄生反应，锌阳极显示出较差的可逆性，这严重阻碍了水基锌离子电池的实际应用。因此，通过引入亲水性石墨烯量子点（GQDs）以控制成核过程，成功设计了电化学稳定的锌阳极。值得注意的是，GQDs较低的电负性增强了GQDs与Zn²⁺之间的结合作用，这有利于加速锌（Zn）的均匀沉积，从而得到没有枝晶的稳定Zn阳极。同时，含氧基团的量子点激发了界面氢键，有利于减轻水诱导的副反应，改善Zn离子反应动力学。在0.8 mA cm−2时，对称电池的极化电压从80 mV降低到50 mV，延长了使用寿命(达2200小时)。因此，组装的ZIBs（钒作为阴极）在循环600次后表现出164.3 mAh g−1的优异性能。鉴于此，这项工作可能为合理调制电极/电解质界面开辟了一条有前景的的途径，推动先进水电池的发展进程。

Figure 1. 不同氧官能团吸附Zn离子的计算模型及相应的结合能(a)。抑制枝晶生长的原理示意图(b)。

Figure 2. GQD的TEM（a、b）和 HRTEM（插图）图像。云母衬底上GQD的 AFM 图像 (c) 和相应的高度分布情况 A-B (d)。(e)原始石墨和 GQD的XRD 图案。(f)原始石墨和 GQD的拉曼光谱。(g) GQDs的FTIR光谱。高分辨率C1s (h) 和 O1s (i) XPS光谱。

Figure 3. Zn||Zn 对称电池在不同电流密度时（0.8 mA cm-2和2.0 mA cm-2）有/无 GQDs 添加剂情况下，长期循环曲线和相应的电压曲线（a-b）。不同电流密度下的倍率性能 (c) 和相应的电压滞后 (d)。 

Figure 4. (a-b) 有/无GQDs时锌阳极在10次循环后的光学显微镜照片。在10 mA cm-2电流密度下电镀30分钟后，（c1-c4）有/无GQDs的情况下，锌阳极的SEM图像。(d1-d4) 有/无GQDs时，Zn箔在循环20次后的 SEM 图像。(e-h)有/无GQDs时，Zn 沉积层的共焦发光图像。在普通电解质 (i, j) 和包含GQDs 电解液(k, l)中Zn 箔电极在循环20次后的 EPMA 映射图像。

　　该研究工作由中南大学侯红帅课题组于2021年发表在Nano Energy期刊上。原文：Graphene quantum dots enable dendrite-free zinc ion battery。

信息来源：公众号【石墨烯研究】

氧化石墨烯：

氧化石墨烯(graphene oxide )是石墨烯的氧化物，一般用GO表示，其颜色为棕黄色，市面上常见的产品有粉末状、片状以及溶液状的。因经氧化后，其上含氧官能团增多而使性质较石墨烯更加活泼，可经由各种与含氧官能团的反应而改善本身性质。

氧化石墨烯薄片是石墨粉末经化学氧化及剥离后的产物，氧化石墨烯是单一的原子层，可以随时在横向尺寸上扩展到数十微米。因此，其结构跨越了一般化学和材料科学的典型尺度。氧化石墨烯可视为一种非传统型态的软性材料，具有聚合物、胶体、薄膜，以及两性分子的特性。氧化石墨烯长久以来被视为亲水性物质，因为其在水中具有优越的分散性，但是，相关实验结果显示，氧化石墨烯实际上具有两亲性，从石墨烯薄片边缘到中央呈现亲水至疏水的性质分布。因此，氧化石墨烯可如同界面活性剂一般存在界面，并降低界面间的能量。其亲水性被广泛认知。