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Zincophilic Polymer Semiconductor as Multifunctional Protective Layer Enables Dendrite-Free Zinc Metal Anodes

枝晶(数学) 材料科学 图层(电子) 阳极 半导体 金属 聚合物 纳米技术 冶金 光电子学 复合材料 化学 电极 几何学 物理化学 数学
作者
Jiangmin Jiang,Zhenghui Pan,Jiaren Yuan,Jun Shan,Chenglong Chen,Shaopeng Li,Hai Xu,Yaxin Chen,Quanchao Zhuang,Zhicheng Ju,Hui Dou,Xiaogang Zhang,John Wang
出处
期刊:Social Science Research Network [Social Science Electronic Publishing]
标识
DOI:10.2139/ssrn.4167597
摘要

Zinc (Zn) metal is considered as one of the most promising anodes for aqueous zinc-ion batteries due to its high theoretical capacity, low cost, and environmental benignity. However, the uncontrolled dendrite growth and parasitic side-reactions lead to low Coulombic efficiency and limited lifespan, severely affecting their applications. Herein, a stable and robust g-C3N4 is constructed on the surface of metallic Zn anode (g-C3N4@Zn), serving as a multifunctional protective layer. The nitrogen (N)-rich g-C3N4 layer exhibits inherent zincophilic properties, in which zinc ions can be bonded with N to form Zn-N bonds, resulting in homogenous nucleation and inhibiting dendrite growth. In addition, the hydrogen evolution reaction and the formation of by-products can be effectively relieved, which are attributed to the polymer layer of blocking water from the Zn surface. More importantly, in-situ optical real-time monitoring, density functional theory calculations, and molecular dynamic simulations demonstrate the effectiveness of the zincophilic g-C3N4 layer in improving stability. As expected, the g-C3N4@Zn anode achieves a remarkable cycling lifespan of around 2900 h (up to four months) in symmetric cells, together with high cycling stability (1000 cycles) for g-C3N4@Zn//V3O7 H2O full batteries. Significantly, the new finding of the zincophilic g-C3N4 protective layer points to an alternative effective pathway to regulate Zn metal anodes for practical applications.
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