AFM：原位生长纳米花状Ni/Co双金属MOF制备低曲率木材衍生高容量厚电极用于水系镍锌电池

研究简介

水系锌离子电池 (AZIB) 隔膜面临着诸多关键挑战，例如界面稳定性差、枝晶形成以及离子传输动力学受限，这些都严重阻碍了其实际应用。为了解决这些问题，本研究开发了一种基于可扩展分散-脱水策略制备的硼集成纤维素纳米纤维 (B/CNF) 隔膜，其厚度仅为64µm。硼的引入形成了B─O和B─O─C 结构，其中带有孤对电子的氧原子作为路易斯碱基位点，能够与Zn2+离子配位。这种配位增强了Zn2+在隔膜上的传输，并降低了去溶剂化能垒。同时，硼掺杂使界面电场均匀化，从而减轻了局部电荷积累和枝晶生长。这种协同机制显著增强了离子迁移率，改善了循环稳定性，并抑制了不必要的副反应。结果显示，采用B/CNF隔膜的Zn||Zn对称电池表现出超长寿命，在1mA cm−2时寿命超过1200小时，在30mAh cm−2时寿命超过250小时(放电深度(DOD)= 51.24%)，而Zn||VO2全电池在1Ag−1下循环500次后仍保留其初始容量的80.38%。这些结果凸显了B/CNF隔膜在克服传统隔膜局限性和推动高性能AZIB发展的潜力。

图文导读

图1. a) NxCyM@CW合成路线示意图。b) 木质电极相对于传统失配的优势及其电化学机制

图2. a) Ni-MOF和Ni/Co-MOF的合成示意图。b,c) N1C0M@CW 横截面的SEM图和详细图。d,e) N1C0M@CW 切向切面的SEM 图和详细图。f,g) N1C0M@CW 的SEM图。h,i) N4C1M@CW 的SEM 图节。j,k) N1C0M@CW 和N4C1M@CW的EDS 映射图

图3. a) N4C1M@CW 电极的数码照片。b) CW 和 N4C1M@CW 的机械压缩应力。c) CW 和 N4C1M@CW 的水接触角。d) CW、N1C0M@CW 和 N4C1M@CW 的FT-IR 光谱。e) CW、N1C0M@CW 和 N4C1M@CW 的 XRD 光谱。f) CW、N1C0M@CW 和 N4C1M@CW 的拉曼光谱。g) CW、N1C0M@CW 和 N4C1M@CW 的 XPS 光谱。h) N1C0M@CW 和 N4C1M@CW 的 Ni 2p。i) N4C1M@CW 的Co 2p。

图4. a) N1C0M@CW、N1C1M@CW、N2C1M@CW、N3C1M@CW、N4C1M@CW、N5C1M@CW和N6C1M@CW 电极中MOF的负载。b) 在 1 mVs−1下记录的 N1C0M@CW、N1C1M@CW、N2C1M@CW、N3C1M@CW、N4C1M@CW、N5C1M@CW 和 N6C1M@CW 电极的 CV 曲线。c) 不同扫描速率（1、2、5、10mV s−1）下 N4C1M@CW 的 CV 曲线。 d) 在 5 mA cm−2 下测量的 N1C0M@CW、N1C1M@CW、N2C1M@CW、N3C1M@CW、N4C1M@CW、N5C1M@CW 和 N6C1M@CW 电极的恒电流充放电 (GCD) 曲线。e) N4C1M@CW 电极在不同电流密度 (5、10、15、20、25、30mA cm−2) 下的 GCD 曲线。f) CW、N1C0M@CW 和 N4C1M@CW 电极的EIS。 g) 通过多步 Ni/Co-MOF 原位生长制备的 N4C1M@CW-X (CW、N4C1M@CW-N1、N4C1M@CW-N2、N4C1M@CW-N3) 电极示意图。h) N4C1M@CW-N1、N4C1M@CW-N2 和 N4C1M@CW-N3 在 1 mV s−1 时的 CV 曲线。i) N4C1M@CW-N1、N4C1M@CW-N2 和 N4C1M@CW-N3 在5mA cm−2 时的 GCD 曲线。 j) 不同电流密度(5、10、15、20、25 和 30mA cm−2)下CW、N4C1M@CW-N1、N4C1M@CW-N2 和 N4C1M@CW-N3 的比电容。

图5. a)木材结构优于传统错配材料的电化学性能及机理。b,c)传统错配材料和木质基材弯曲通道内压力场模型和速度场分布模型

图6. a) N4C1M@CW-N2//Zn电池在不同扫描速率（1、2、3、4、5、10mV s−1）下的CV曲线。b) 根据CV数据，在选定的氧化和还原电位下，N4C1M@CW-N2//Zn电池的Log（i）对Log（v）图。c) N4C1M@CW-N2//Zn电池在不同扫描速率下电容容量和扩散控制容量的贡献率。d) Zn负极在20mV s−1的CV曲线和N4C1M@CW-N2正极在1mVs−1的CV曲线。e) N4C1M@CW-N2//Zn电池的比较倍率性能。f) N4C1M@CW-N2//Zn电池的EIS。 g) N4C1M@CW-N2//Zn 在 20mA cm−2 时的循环稳定性。

图7. a) N4C1M@CW-N2//Zn电池结构图。b) 其他储能装置的Ragone图比较。c) 与其他装置的比容量/能量密度/功率密度比较的风玫瑰图。d) N4C1M@CW-N2//Zn电池供电的灯。

研究结论

本研究设计了一种自支撑木质衍生碳电极(NxCyM@CW)，该电极具有高比容量、三维分级多孔结构、原位生长的Ni/Co-MOF和优异的稳定性。NxCyM@CW复合体系由MOF和木质衍生骨架构成，由于优化的Ni/Co比例而表现出显著的双金属协同效应。此外，得益于垂直多孔生物碳网络中丰富的电化学活性位点，该材料实现了快速的载流子扩散、高电导率和优异的电化学稳定性。因此，本研究组装的N4C1M@CW-N2//Zn电池表现出优异的电化学性能，比容量高达2.15mAh·cm−2。即使经过8000次循环，它仍能保持其初始容量的88.9%，表现出卓越的循环稳定性。此外，该装置的最大能量密度达到3.54mWh·cm−2，峰值功率密度达到70.34mW·cm−2，展现出实际应用的潜力。在此基础上，未来的研究将进一步整合优化的电解质和锌负极，以评估完整的电池系统及其实际性能。这项研究有望为下一代高性能电化学储能装置的开发开辟新的途径。