电能是最重要的清洁能源之一,对社会发展和进步贡献巨大,开发高效的电能存储(EES)系统是十分必要的。目前,以有机电解液作为电解质的锂离子电池(LIBs)是大规模EES的主要设备,这得益于其较高的电压窗口、高能量密度和功率密度等优势。然而,由于近年来LIBs的自燃甚至爆炸等安全事故的出现,人们开始对LIBs的低安全性感到担忧;此外,全球十分有限的Li资源对LIBs的长久应用也形成巨大挑战。相较于LIBs,锌离子电池(ZIBs)具有较高的能量和功率输出能力,以及成本低、安全性高、清洁且可持续发展性强等特点,在众多储能系统中占据有利地位。然而锌负极面临枝晶、钝化和析氢等问题,其中锌枝晶容易造成循环性能差、库仑效率低以及短路等潜在威胁,削弱电池的寿命,减缓ZIBs的规模化应用进程。本论文以低成本、高导电性和具有良好加工特性的膨胀石墨(EG)作为衬底,分别引入铜掺杂的多孔ZIF-8结构以及原位生长的铜颗粒对EG进行优化,所得的EG复合基体降低了枝晶的威胁,延长了锌负极的循环寿命。首先,基于铜对锌的高亲和性、多孔ZIF-8对锌的限域作用以及EG良好的导电性,将铜掺杂ZIF-8与EG复合后热还原获得的Cu-ZIF-8/EG基体,在2.0m A cm下的成核过电位仅约47.8 m V,同时还延缓了枝晶的扩张;此外,通过“干压成型”工艺制备的Cu-ZIF-8/EG(Dry Pressing)基体,助力Zn@Cu-ZIF-8/EG(Dry Pressing)负极,实现2.0 m A cm电流密度下循环时间超过200 h。其次,汇聚上述实验中铜的亲锌特性和“干压成型”工艺的优势,将EG衬底与原位生长的铜颗粒结合而成的Cu-Ps/EG复合材料用作锌负极基体,在1.0m A cm下具有约22.0 m V的成核过电位,而且可以有效调控锌的沉积行为、削弱枝晶的危害,并赋予Zn@Cu-Ps/EG负极在10.0 m A cm下可以循环近3000 h的能力;特别地,柔性Zn@Cu-Ps/EG负极分别与活性炭(AC)和VO正极匹配所得的柔性电容器和电池都展现了良好的电力输出功能,这突显了性能良好、成本低廉的Zn@Cu-Ps/EG负极广阔的应用潜力。
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