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‘Two Birds with One Stone’ design for dendrite-free zinc-metal anodes: Three-dimensional highly conductive skeletons loaded with abundant zincophilic sites

材料科学 阳极 过电位 枝晶(数学) 电流密度 成核 导电体 化学工程 电场 水溶液 复合材料 碳骨架 电流 复合数 骨架(计算机编程) 纳米技术 密度泛函理论 阴极 电偶阳极 电流(流体) 电阻率和电导率 碳纤维 碳纳米管 叶尖生长 离子
作者
Ran Wang,Liyun Wu,Ying Wei,Kaiping Zhu,Han Wang,Yagang Yao
出处
期刊:Materials Today Energy [Elsevier]
卷期号:29: 101097-101097 被引量:28
标识
DOI:10.1016/j.mtener.2022.101097
摘要

Aqueous zinc-metal batteries (Zn) have broad commercial application prospects owing to their large theoretical capacity, environmental friendliness, safety, and cost-effectiveness. However, the development of such batteries is limited by the growth of Zn anode dendrites. In this study, a highly conductive three-dimensional carbon fibers (CFs) skeleton with super-zincophilic ZnO preplaced on the surface (ZnO&CFs) was used to prepare Zn anodes. ZnO was expected to induce Zn nucleation and retard dendrite generation, and the CFs skeleton was expected to decrease the local current density to homogenize Zn ion flow and relieve the bulk stress during charging and discharging. Multifunctional regulation of the novel anode was confirmed through density functional theory calculations and experimental characterization. Symmetric cells assembled from the ZnO&CFs deposited with Zn as anodes were stable for more than 2,000 cycles at a high current density of 20 mA/cm 2 and exhibited a low overpotential (≈50 mV). These results indicated that the proposed three-dimensional skeleton composite anodes can effectively inhibit dendritic growth and prolong cell life, thereby facilitating the development of efficient and stable Zn anodes. • The zincophilic sites induce zinc deposition. • The conductive three-dimensional skeleton homogenizes the electric field. • DFT calculations suggested the high zincophilicity of ZnO, and FEM showed a uniform electric field of ZnO&CFs. • The symmetric cell based on Zn@ZnO&CFs was stably cycled for more than 2, 000 cycles at a current density of 20 mA/cm 2 .
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