在铜上电镀碳纳米洋葱用于无枝晶和无负极锌离子电池

研究简介

锌离子电池(ZIB)因其成本效益高、材料丰富且使用不易燃的水系电解液，已成为传统锂离子电池(LIB)的一种有前途且更安全的替代品。然而，其广泛应用仍然受到枝晶形成、析氢和电极钝化等挑战的阻碍。本文展示了碳纳米洋葱(CNO)和铜的电镀工艺，可在铜箔上形成碳纳米洋葱嵌入铜涂层，用作锌负极集流体，该涂层在1400次循环中具有较高的镀锌/剥离效率(99.89%)。该碳纳米洋葱嵌入铜涂层确保了基底表面的高导电性，并通过嵌入的碳纳米洋葱稳定了锌的沉积。该碳纳米洋葱@铜膜实现了176小时内85.5%的放电深度，优于传统铜(102小时)。此外，采用无阳极配置的CNO@Cu集流体与镀锌NH4V4O10阴极组合制成的ZIB表现出194.8WhL−1的高体积能量密度。CNO@Cu为工业无阳极ZIB提供了一种低成本、可扩展且高性能的解决方案，这项工作为未来利用经济高效的工业级纳米材料改进ZIB奠定了基础。

图文导读

图1.a)电镀工艺示意图。Cu2+和CNOs沉积在Cu箔上。b)工艺步骤示意图。c)厚CNO@Cu和d)CNO@Cu的照片。e)CNO@Cu的SEM照片。f)裸Cu、CNO@Cu和厚CNO@Cu的GIWAXS剖面图。g)CNO@Cu表面示意图，显示嵌入CNO的多孔Cu结构。

图2.非对称半电池测试。a)1mAhcm−2容量、5mAcm−2电流密度下不同电极上镀锌/脱锌的循环性能。b)不同电极电池上锌箔的电压曲线。c)1mAcm−2、d)3mAcm−2和e)5mAcm−2电流密度下不同电极上镀锌的成核过电位。f)带有CNO@Cu电极的软包电池照片。电极尺寸：2cm×2cm。g)1mAhcm−2容量、5mAcm−2电流密度下软包电池中不同电极上镀锌/脱锌的循环性能。

图3.在Cu或CNO@Cu上镀锌，电流密度：5mAcm−2。SEM或a)裸铜；b)和c)铜12分钟；d)铜60分钟；e)CNO@Cu6分钟；f)CNO@Cu12分钟；g)CNO@Cu30分钟；h)CNO@Cu60分钟。

图4.a)CNO@Cu和Cu箔的接触角测试；b)纽扣电池外壳和CNO@Cu或Cu电极的照片，镀锌厚度为1mAhcm−2，电流密度为5mAcm−2；c)Zn箔、镀锌的Cu和镀锌的CNO@Cu的XRD（镀锌厚度为1mAhcm−2，电流密度为5mAcm−2）；d)Cu和e)CNO@Cu镀锌示意图。

图5.对称电池和全电池测试。a)10µmZn箔、10µmZn@Cu和10µmZn@CNO@Cu对称电池在5mAcm−2和5mAhcm−2容量下测试的电压曲线。10µmZn箔的容量为5.88mAhcm−2，此测试中的DOD为85.5%。b)10µmZn箔、Cu上的10µmZn箔(Zn@Cu)和10µmZn箔CNO@Cu(Zn@CNO@Cu)对称电池在不同电流密度下测试的电压曲线，容量为1mAhcm−2。c)无负极电池示意图。d)高负载（正极材料负载：13.5mgcm−2）无负极电池在5mAcm−2电流密度下的循环性能。e)本研究中锌离子电池的体积能量密度（橙色条）和其他研究中的锌离子电池的体积能量密度，灰色条：100µm锌箔对照。

研究结论

使用低成本、工业可扩展的CNO@Cu集流体实现如此高的体积能量密度的能力表明，该技术有可能以经济可行的纳米材料满足高能量密度应用的需求。总之，本研究开发的CNO@Cu作为ZIB负极集流体为稳定锌负极提供了一种可扩展且经济高效的解决方案。Cu上的超薄透明CNO嵌入Cu层提高了镀锌/剥离效率（在5mAcm−2和1mAhcm−2时为99.89%），抑制了枝晶形成，并提高了长期循环稳定性，使其成为商业ZIB应用的有希望的候选材料。此外，CNO嵌入Cu层确保了高导电性，并促进了锌与石墨碳纳米材料的沉积。CNO@Cu表现出优异的循环性能，在176小时内保持了85.5%的放电深度，而裸铜在相同条件下仅能维持102小时。此外，在无阳极配置搭配NH4V4O10正极的情况下，该电池表现出194WhL−1的高体积能量密度。我们的CNO@Cu为工业ZIB应用提供了一种经济高效、可扩展且高性能的解决方案，这项研究为未来通过使用经济实惠的工业级纳米材料推动ZIB的发展奠定了基础。