3D Nanotubular Nanoporous N-Doped Graphene with Curvature-Induced Zincophilicity for Ultrafast and Dendrite-Free Zn Deposition

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作者
Yanyi Zhang,Xianke Yue,Miaoyu Zhang,J C Chen,Peng Du,Guoqiang Xie,Xingjun Liu,Kolan Madhav Reddy,Hua-Jun Qiu
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:26 (20): 6689-6697
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.6c01379
摘要

Dendrite-free Zn anodes enabling stable cycling at high current densities and capacities remain a critical challenge for zinc-based energy storage. Here, we report a 3D free-standing nanotubular nanoporous N-doped graphene (np-NG) network doped with ultrathin Bi 2 O 3 sheets (np-NG/Bi) as ultrahigh-capacity anode host. The lightweight, binder- and current-collector-free host enables uniform, rapid Zn deposition with near-complete volume utilization. Owing to its mechanical robustness, high conductivity, and large surface area, free-standing np-NG/Bi sustains stable cycling for 4000 h at 5 mA cm –2 (5 mAh cm –2 ) and over 600 h at 50 mA cm –2 (10 mAh cm –2 ). The high rate performance is attributed to the highly curved graphene nanotubular architecture and curvature-induced zincophilicity surfaces, which enable a rapid, tube interior-first, and dendrite-free Zn 2+ deposition. The superior performance of np-NG/Bi is further demonstrated in Zn-ion and Zn–air batteries, highlighting a 3D graphene design strategy for high-performance Zn metal anodes in next-generation energy systems.
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