可扩展制备与低成本石墨纸基锌负极促进锌(002)晶面可逆循环

本文提出了一种基于石墨纸基底的新型锌负极构建策略，通过调控界面电场分布显著提升锌沉积/剥离的可逆性。该研究展示了石墨纸基底在诱导锌沿(002)晶面优先沉积、抑制枝晶生长及提升电池循环寿命方面的优势，为高性能薄锌负极设计提供了新的界面工程见解，并展现出在大规模储能中的应用潜力。

　　

1 引言

水系锌离子电池作为新一代电化学储能系统，因其高安全性、低成本和环境友好性在大规模储能领域展现出巨大潜力。与传统锂离子电池使用有机电解质不同，锌离子电池采用不可燃的水系电解质，从根本上降低了电池运行时的安全风险。此外，锌金属负极具有高理论比容量（820 mAh g^?1）、高体积容量（5855 mAh cm^?3）和资源丰富等优点，为开发低成本、高能量密度储能设备提供了独特优势。为实现锌离子电池的产业化应用，锌负极的轻量化设计至关重要。使用更薄的锌箔（如10 μm厚度）可以减少活性材料用量，使实验室规模的电池更轻，从而促进锌离子电池的更广泛应用。然而，这一策略面临显著挑战：与传统厚锌负极相比，薄锌负极在循环过程中更容易出现离子通量不均匀，导致锌沉积/剥离可逆性恶化，引发枝晶无序生长并加速电池失效。这些电极结构的变化不仅导致容量快速衰减，还可能引起内部短路等安全隐患，严重限制了薄锌负极的实际应用。

当前解决锌负极技术瓶颈的研究主要集中在几个维度，包括电解质组成调控（如添加剂工程）、界面改性（如构建人工固体电解质界面（SEI）层）以及三维电极结构设计。尽管这些策略在抑制枝晶生长方面显示出一定效果，但控制金属锌的致密沉积行为和提高长循环稳定性仍是重大挑战。值得注意的是，集流体作为电极反应的关键载体，其固有特性对锌沉积动力学具有决定性影响。广泛使用的不锈钢和钛集流体虽然具有优异的耐腐蚀性，但受限于高成本（钛箔价格约为铜箔的10倍）和低电导率（钛的电导率仅为铜的3%）。集流体基底的晶体结构特性在显著影响锌沉积动力学方面起着关键作用。相关研究还表明，基底材料可以通过调节副反应（如析氢反应（HER））的过电位、锌沉积动力学或锌的晶体生长行为，直接影响锌沉积形态。传统金属集流体与锌的晶格匹配性差，导致界面电场分布不均匀，从而加剧锌沉积的不均匀性并促进枝晶穿透隔膜。因此，优化集流体设计已成为一种极具前景的策略。通过控制电沉积条件，有望获得具有适当锌含量的稳定负极。开发具有高电导率、优异界面兼容性和低成本的新型集流体材料已成为推动锌负极技术发展的重要突破点。

石墨纸作为一种具有优异导电性和化学稳定性的碳基材料，通常由片状高碳石墨通过化学处理、高温膨胀和压制工艺制备而成。它具有高电导率（室温下约为4.5 × 10⁴ S m^?1）、优异的化学稳定性和环境惰性，同时兼具轻质、成本低和柔性好等特点。这些特性使其作为柔性基底在锂离子电池和超级电容器等领域得到广泛应用。在电极材料成本控制方面，石墨纸展现出显著的经济优势：与铜箔制造工艺需要复杂的电解、轧制和钝化步骤（高成本工艺且对原材料依赖性强，铜资源的地理分布不均和有限储量使原材料价格易受市场波动影响）相比，石墨纸的制备工艺更简单高效。此外，作为一种天然富集材料，石墨分布广泛、储量丰富、原材料供应链稳定且成本低，结合其固有的化学惰性（确保环境稳定性），石墨纸可有效降低大规模生产中的材料成本，从而降低整体电池生产成本。

尽管许多研究探索了各种碳基材料（如碳布、碳毡和石墨烯涂层材料）用于电池系统，但它们在实际应用中仍存在一定局限性。例如，碳布和碳毡通常具有高孔隙率和大的表面粗糙度，在锌沉积过程中容易导致电流分布不均，从而诱发枝晶生长和界面不稳定。虽然石墨烯涂层具有优异的导电性和致密结构，但其高成本和复杂的制备工艺限制了其在大规模应用中的可行性。相比之下，商业石墨纸结合了多种优势，如高导电性、光滑致密的表面形态、良好的柔性和低成本，使其在实际制备和产业化路径中更具可操作性。因此，石墨纸不仅是可行的替代集流体，更有望成为水系锌离子电池集功能性与成本效益于一体的理想基底材料。考虑到上述特性，本研究选择商业石墨纸作为锌负极的基材。

2 结果与讨论

2.1 Gr Paper@Zn负极的可扩展制备

本研究采用简单的无隔膜电化学沉积装置制备锌基负极。具体实验装置如图所示。在该装置中，200 μm锌箔作为阳极，25 μm石墨纸或9 μm铜箔作为阴极，放置在2M ZnSO₄电解质体系中，施加恒定电流（20 mA cm^?2）进行电化学沉积。在电场作用下，锌离子从锌箔表面剥离，通过电解质迁移到阴极基底，发生还原反应，最终在石墨纸或铜箔表面形成镀锌层（分别表示为Gr paper@Zn和Cu foil@Zn）。通过精确控制沉积时间，可以准确调节镀锌层的厚度（除非另有说明，本研究中Gr paper@Zn和Cu foil@Zn负极系统中的锌容量为8.05 mAh cm^?2，对应锌箔厚度为10 μm）。进一步研究发现，在电化学循环过程中，Cu foil@Zn负极容易发生析氢反应（HER），并且表面易出现枝晶生长。

如图所示，通过该方法制备的Gr paper@Zn负极的连续镀锌长度可达1米级别，表面呈现均匀的金属光泽，表明该工艺具有大规模生产的潜力。单面1米镀锌石墨纸在弯曲下也能保持结构完整性。值得注意的是，图进一步展示了石墨纸双面锌沉积的独特优势：仅40 μm厚度的涂层可承受多次弯曲而不脱落，甚至可以折叠成复杂形状（如纸鹤），充分证明了其优异的机械柔性和界面结合强度。对比实验显示，在相同条件下制备的Cu foil@Zn负极容易出现镀层与铜箔的分层现象，并且容易产生枝晶突起。随后的扫描电子显微镜（SEM）图像和实验将证明这些现象。这凸显了石墨纸基底在基底与沉积物界面结合方面的独特优势。

更有趣的是，我们发现基底材料的选择显著影响锌沉积的表面形态和物理性质。在相同的电沉积条件下，石墨纸基底上形成的锌沉积层呈现明亮的金属光泽，表明其表面结晶度高且结构致密。相比之下，Cu基底上形成的锌沉积层相对暗淡，呈灰白色，表明表面粗糙度可能增加或形成了副反应的副产物。这种表观差异与后续的微观结构表征结果高度一致。进一步精确称重显示，在相同沉积面积（5 cm × 10 cm）和电沉积容量（8.05 mAh cm^?2）条件下，Gr paper@Zn负极的质量比Cu foil@Zn负极轻约16%。这一现象由以下原因引起：1）石墨基底与锌的相互作用更强，导致更致密的沉积层；2）不同晶体取向的锌沉积层具有不同的堆积密度；3）石墨纸本身比铜箔轻。

通过SEM揭示了两种电极材料的形态。SEM成像显示，在石墨纸基底上，锌以平行于基底的层状结构均匀生长，对应于Zn(002)晶面的优先取向。相比之下，在传统铜基底上，沉积层主要形成Zn(101)取向。从图中还可以看出，棱柱晶界容易作为枝晶生长的成核位点。这种差异可归因于石墨sp²杂化碳面与锌原子之间的独特相互作用，促进了(002)晶面的优先生长。已知Zn(002)晶面具有更高的电化学稳定性和较低的界面能，这是Gr paper@Zn负极具有优异电化学性能的关键因素。后续的X射线衍射（XRD）分析将进一步验证这种取向差异。

除了形态和界面结合性能外，集流体的电导率也对锌负极的电化学性能产生显著影响。为系统比较石墨纸和铜箔的电子传输能力，并进一步验证不同集流体对电极整体电导率的影响，采用四探针法测量了Gr paper@Zn和Cu foil@Zn中集流体的室温电导率。实验结果表明，Gr paper@Zn负极中石墨纸的电导率为4.5 × 10⁴ S cm^?1，而Cu foil@Zn负极中铜箔的电导率为2.7 × 10⁵ S cm^?1。尽管铜箔具有更高的本征电导率，但石墨纸也表现出优异的电子传输能力。其柔性层状结构与锌沉积层形成紧密的界面接触，显著降低了界面电阻，满足锌沉积/剥离高电流密度下的电子传输需求，同时提供了优异的界面稳定性和机械柔性。此外，石墨纸质量更轻（与铜箔相比，整体负极质量减轻约16%），与锌沉积层的结合更强，并表现出更好的热稳定性，使其在轻量化设计、可扩展制备和界面稳定性方面具有显著优势。值得注意的是，石墨纸在高温下具有更好的电导率稳定性，不会因温度升高而出现电阻显著增加。总体而言，石墨纸实现了电导率、柔性、质量密度和界面兼容性的良好平衡，使其不仅是可行的集流体，更是构建高性能锌负极的更具竞争力的选择。

2.2 Gr Paper@Zn负极的物理化学表征

众所周知，枝晶生长和副反应问题与电解质在锌负极表面的润湿性密切相关，接触角在锌沉积/剥离过程中起着重要作用。如图所示，通过动态接触角测试比较了2M ZnSO₄电解质在不同锌负极表面上接触角随时间的变化，以评估其润湿性。商业10 μm锌箔表现出明显的疏水性，初始接触角为103.97°，3720 ms后仍保持在99.6°，表明表面润湿性差。相比之下，Cu foil@Zn负极表现出一定的亲水性，初始接触角为41.61°，迅速下降至24.71°。然而，Cu foil@Zn负极中的层间结构使电解质容易渗透并进一步与表面反应，无法有效抑制不良的HER反应。相比之下，Gr paper@Zn负极的初始接触角为54.12°，略高于Cu foil@Zn，但接触角下降更缓慢，最终稳定在36.09°。这表明Gr paper@Zn负极具有良好的润湿性和平衡的液滴铺展动力学，有利于锌离子在界面均匀成核和沉积，从而抑制副反应和枝晶形成，同时增强电极界面稳定性。图通过机械拉伸测试进一步评估了Gr paper@Zn与10 μm商业锌箔的机械性能，实验装置见支持信息中的图。结果表明，Gr paper@Zn复合结构的最大断裂强度为27 N，显著高于10 μm锌箔的13 N，且具有更大的断裂位移，表明该复合结构具有更强的界面结合和优异的机械柔性。

为进一步研究石墨纸基底与镀锌层之间的界面结合，本研究还进行了循环弯曲和热冲击实验，以模拟实际使用中可能出现的应力和温度变化对界面结合强度的影响。在循环弯曲测试中，对Cu foil@Zn和Gr paper@Zn电极进行弯曲变形。实验结果显示，经过两次弯曲循环后，Cu foil@Zn电极在折叠点出现轻微分层。经过七次弯曲循环后，分层现象加剧；经过十次弯曲循环后，超过50%的铜箔基底与锌层分离。经过十五次弯曲循环后，锌层与铜箔基底完全分层。相比之下，石墨纸基底在十五次弯曲循环后未出现明显分层。即使经过三十次循环，石墨纸基底仅在弯曲点出现微小裂纹，而锌层与石墨纸基底的结合仍保持完整。这些结果表明，与铜箔基底相比，石墨纸基底在弯曲应力下表现出更优异的界面粘附性和增强的机械稳定性。

热冲击实验通过将不同负极材料放入200°C的马弗炉中8分钟，然后快速浸入约20°C的冷水中5分钟，并重复加热和冷却循环进行。如图所示，有两种负极材料未经过热冲击实验。经过一次热冲击循环后，Cu foil@Zn负极在边缘出现轻微分层，并且锌层表面观察到气泡。经过三次热冲击循环后，铜箔基底与镀锌层完全分离，锌层背面呈现粗糙不平的表面。相比之下，Gr paper@Zn负极即使经过八次热冲击循环也未出现分层，表面保持良好状态，无明显物理损伤。这些结果表明，石墨纸基底可以承受更高的热应力，并且在热冲击条件下锌层与基底的粘附性保持稳定。上述实验结果进一步证实了石墨纸基底与镀锌层之间优异的界面结合和稳定性。

原子力显微镜（AFM）图像揭示了不同基底上沉积的锌层表面形态的差异。铜箔基底上沉积的锌层表现出显著的表面起伏，峰谷高度差约为951.7 nm，表明成核和生长过程无序，导致沉积不均匀。相比之下，石墨纸基底上沉积的锌层显示出更光滑的表面形态，高度变化减小至仅296.1 nm，反映了锌沉积均匀性的显著改善。这种形态改善主要归因于石墨纸的固有特性，平坦的锌表面有效抑制了枝晶形成，增强了界面稳定性，从而在长循环电化学过程中表现出优越的性能。

此外，横截面SEM图像提供了不同基底材料对锌层沉积形态影响的进一步洞察。图显示了商业10 μm锌箔的横截面能量色散光谱（EDS）图像。从SEM图像和EDS图像可以看出，在Cu foil@Zn负极中，锌层在铜箔表面形成许多“峰”结构，并伴有副产物的生成，表明在该基底上锌沉积不均匀。这种不均匀沉积导致局部电场增强，促进枝晶生长。此外，在该体系中，锌层与铜箔之间的界面容易分层，这可能导致锌在循环过程中剥落。相比之下，图中显示的Gr paper@Zn负极呈现出光滑且更有序的锌层界面，无明显突起，锌层与石墨纸之间具有清晰、均匀的接触界面。这进一步表明结合良好的界面有助于降低界面电阻和减轻界面副反应。

为研究Gr paper@Zn在沉积/剥离过程中的优越性，采用原位光学显微镜观察了不同负极结构在恒定电流（10 mA cm^?2, 5 mAh cm^?2）下的锌沉积/剥离行为。与Cu foil@Zn相比，Gr paper@Zn表现出更稳定的电化学沉积行为。如图所示，在Cu foil@Zn电极中，沉积10分钟后开始发生析氢反应，表面出现不均匀突起。这些突起在循环过程中不可控地积累，从而形成枝晶产物，导致锌表面变得不平整。随着反应时间推移，气泡的产生和锌枝晶的生长变得更加明显，特别是在沉积30分钟后。这种现象表明副反应（尤其是HER）更为剧烈，导致沉积/剥离过程的可逆性较差，从而引发结构退化和电化学性能衰减。相比之下，Gr paper@Zn负极在整个沉积过程中未出现明显的枝晶形成或气泡产生，仅在30分钟后的剥离期间观察到少量气体析出。图使用电化学差分质谱仪进一步量化了两种负极材料在2M ZnSO₄电解质中的析氢速率差异。Cu foil@Zn负极的析氢量显著高于Gr paper@Zn，表明其析氢副反应更为剧烈。另一方面，Gr paper@Zn表现出更低且更稳定的氢气释放速率，表明有效抑制了锌与水之间的不良副反应。

2.3 Gr Paper@Zn负极对锌沉积形态的影响

为进一步表征电化学循环过程中负极材料的变化，我们分析了循环前后的差异。图显示了三种负极材料循环前的X射线衍射（XRD）图谱。主要衍射峰位于36.3°、39.0°和43.2°，分别对应(002)、(100)和(101)晶面。(002)晶面有利于无枝晶锌沉积，而(101)晶面容易诱发枝晶形成。从图中可以看出，Gr paper@Zn负极的Zn(002)峰强度显著高于其他两种材料，表明其具有明显的Zn(002)优先取向。插图显示了六方晶体结构，进一步强调了Zn(002)沿垂直c轴方向生长的优势。这种晶体取向有助于形成更致密、平坦和稳定的锌沉积层。

通常，Zn(002)/Zn(101)的强度比决定了锌的沉积取向。图分析了三种材料的Zn(002)/Zn(101)强度比。Gr paper@Zn负极材料的Zn(002)/Zn(101)强度比为373.78，显著高于Cu foil@Zn（0.383）和10 μm锌箔（0.102）。这一结果表明Gr paper@Zn负极材料表现出强烈的(002)晶面优先取向，有利于构建规则的晶体结构并抑制枝晶形成。多晶材料的织构可以进一步分析以研究晶体取向的分布。图展示了三种材料的织构系数（TC）和相对织构系数（RTC），其中RTC使用公式计算。从图中可以看出，Gr paper@Zn沿(002)晶面方向的TC达到8.958，RTC为59.73%，显著高于其他两种材料。这种高度取向的层状结构与SEM图像中观察到的平行基底-层形态高度一致。这些结果强有力地表明，石墨纸基底在诱导锌沿(002)晶面优先生长方面具有明显优势，有助于增强锌沉积的一致性和结构稳定性。

为深入研究循环过程中电极表面的组成演变，进一步进行XRD分析以检查不同负极材料在经过不同循环次数（2、25和50次循环）后晶面织构的变化。如图所示，Cu foil@Zn负极中Zn(002)与Zn(101)的强度比从0.09逐渐增加到0.13，表明锌在铜表面以非优先取向沉积，容易导致枝晶形成。相比之下，Gr paper@Zn负极的I_Zn(002)/I_Zn(101)比在整个循环过程中保持在高水平（9.95–10.62），表现出高度优先的Zn(002)晶面取向。这种优先取向促进了均匀致密沉积层的形成，有效抑制了锌枝晶的生长。

锌电沉积的形态也是调节均匀锌沉积和抑制反应界面腐蚀反应的重要因素。为进一步探索电化学循环性能的潜在机制并验证上述发现，我们采用SEM检查了Gr paper@Zn和Cu foil@Zn对称电池在经过2、25和50次循环后在电流密度为10 mA cm^?2/5 mAh cm^?2条件下的形态演变。如图所示，上行代表反应后的锌基底，下行显示隔膜上的沉积形态。对于Cu foil@Zn负极，随着循环次数增加，锌在负极表面的沉积变得越来越不均匀。经过50次循环后，观察到显著的锌枝晶结构，以及隔膜上枝状突起和“死锌”腐蚀产物的积累，这阻碍了电荷转移并破坏了Zn²⁺的均匀扩散。在长时间循环过程中，枝晶倾向于在电场不均匀的区域垂直生长，存在刺穿隔膜和短路的风险。相比之下，即使经过50次循环，Gr paper@Zn负极上的锌沉积形态仍然平坦均匀，隔膜上的沉积更加有序，表明其具有优越的结构稳定性和界面控制能力。

为进一步阐明不同基底上Zn(002)优先取向形成的机制，进行第一性原理计算以比较Zn(002)面与石墨纸或铜箔基底之间的界面结合能。结果表明，Zn(002)/Cu界面的结合能为-4.42 eV，显著高于Zn(002)/Gr界面的0.94 eV。这表明锌与铜箔表面之间存在更强的界面相互作用，有利于形成稳定的金属键。基于电子结构分析，锌具有全充满的3d¹⁰4s²电子构型，化学惰性的3d轨道留下4s（偶尔伴随4p）轨道用于成键。在Zn-Cu体系中，两种元素的4s价轨道能量相似，原子半径相当，能够实现有效的轨道重叠和电子离域，形成稳定的金属键。这与Zn(002)在铜箔表面生长时观察到的-4.42 eV强界面结合能一致。相比之下，Zn-C键的形成较不利，因为锌的4s/4p轨道与石墨中C 2p轨道之间存在大的能隙，并且锌缺乏低能空d轨道来促进π反馈键。这反映在Zn(002)在石墨上的界面结合能低得多，仅为0.94 eV，表明锌-石墨纸界面相对较弱。如此低的界面结合能意味着石墨表面对Zn(002)生长的约束极小，允许锌原子在六方晶格匹配和石墨层状π电子云的引导下自由取向并外延生长沿(002)面生长。相比之下，铜箔基底上的强界面耦合对晶体取向施加了显著限制，从而抑制了Zn(002)优先沉积。这一计算结果与XRD测试中观察到的Zn(002)峰强度显著增强高度一致，为石墨纸基底诱导Zn(002)优先取向的机制提供了理论支持。

2.4 通过电化学测试获得的Gr Paper@Zn负极的界面行为

为更详细地了解两种不同基底材料负极的电化学性能，构建了一个三电极系统。该系统包括Ag/AgCl参比电极、1 cm × 1 cm钛箔对电极、1 cm²工作电极和水系电解质。在2M ZnSO₄电解质中测量了Cu foil@Zn和Gr paper@Zn的Tafel和线性扫描伏安（LSV）曲线。图中的Tafel曲线显示，Gr paper@Zn电极表现出更低的腐蚀电流（1.59 mA cm^?2），而Cu foil@Zn的腐蚀电流为1.79 mA cm^?2（相对于Ag/AgCl）。腐蚀电流的降低表明基于石墨纸基底的锌负极腐蚀速率更慢，表明Gr paper@Zn负极提供了优异的耐腐蚀性。此外，氢气的产生会增加电池内部压力，影响电池的结构和性能。LSV测试曲线显示，Gr paper@Zn电极的HER起始电位发生负移，表明其能够抑制H₂析出。

随后，使用纽扣电池进行离子电导率测量。如图所示，具有石墨纸基底的锌负极在2M ZnSO₄溶液中表现出优异的离子传输性能。电化学阻抗谱（EIS）结果显示，Gr paper@Zn负极界面的电荷转移电阻（1.78 Ω）显著低于铜基底（2.05 Ω）， corresponding to an increase in ionic conductivity to 1.98 × 10^?3 S cm^?1, approximately twice that of the copper substrate (0.97 × 10^?3 S cm^?1). 这种差异源于石墨纸独特的层状多孔结构，为锌提供了均匀的成核位点，从而优化了锌沉积和剥离过程中的离子扩散动力学。

我们随后组装了Zn||Ti半电池，并通过循环伏安（CV）测试研究了不同基底材料对锌成核过电位的影响。电化学结果表明，石墨纸基底上的锌成核过电位为39 mV，显著低于铜基底上的48 mV。这种差异表明，石墨纸基底上的锌负极表面表现出更好的锌成核亲和力和电荷转移能力，从而促进均匀致密的锌沉积，并为抑制枝晶生长提供了重要支持。此外，Gr paper@Zn负极显示出更高的峰值电流，反映了更大的电化学活性表面积和更活跃的成核位点。

此外，我们对两种基底的锌负极进行了计时电流法（CA）测试，以进一步研究不同基底对锌成核和生长行为的影响。如图所示，在恒定过电位-150 mV下，铜基底上锌负极的电流密度在200秒内持续增加，表明锌沉积过程中Zn²⁺的二维横向扩散过程 prolonged and uncontrollable。这表明Zn²⁺倾向于在铜基底的二维表面横向扩散，随后锌生长通常发生在尖端，形成枝晶。相比之下，对于石墨纸基底，Zn²⁺离子在前100秒内 initially underwent 二维扩散和成核，随后由于锌生长中心的重叠而转变为稳定的电流密度，这是由于三维扩散的结果。这有利于形成均匀、致密且光滑的锌沉积层。图说明了Zn²⁺在不同基底的锌负极中的扩散过程。

除了上述优势外，Gr paper@Zn负极还可以有效减少Zn²⁺的脱溶剂化过程。为研究这一点，我们测试了不同温度下具有不同基底的对称电池的EIS曲线，并计算了EIS拟合电路。结果表明，随着温度从10°C升高到60°C，Gr paper@Zn电极和Cu foil@Zn电极的阻抗均降低。然而，与Cu foil@Zn负极相比，Gr paper@Zn负极表现出显著更低的电荷转移电阻。这些发现证实了Gr paper@Zn负极有利于快速电荷转移。Zn²⁺沉积过程中的电荷转移涉及锌离子的脱溶剂化，这被认为是电荷转移的主要障碍。脱溶剂化过程的活化能（Ea）可以进一步使用阿伦尼乌斯方程量化。获得的不同温度下的电荷转移电阻（Rct）经过拟合计算Ea。图显示，Gr paper@Zn负极的Ea显著降低至24.44 kJ mol^?1，远低于Cu foil@Zn负极的32.75 kJ mol^?1。这些结果表明，Gr paper@Zn负极可以有效促进脱溶剂化过程并增强界面反应动力学。

2.5 Gr Paper@Zn负极半电池的电化学性能

为证明Gr paper@Zn负极对增强电化学性能的积极影响，组装了具有不同负极材料（纯锌箔、Cu foil@Zn和Gr paper@Zn）的对称电池，并通过沉积/剥离行为测试了循环稳定性和可逆性。图显示，在电流密度为10 mA cm^?2和面积容量为2 mAh cm^?2的条件下，Gr paper@Zn对称电池表现出比其他两种材料显著更优的稳定性，具有稳定的电压平台和最小的波动。循环寿命超过750小时，远长于Cu foil@Zn（约340小时）和纯锌箔（约380小时），突出了其对锌沉积/剥离过程的优异调控能力。使用的10 μm锌箔的理论容量约为8.05 mAh cm^?2。因此，在面积容量为2 mAh cm^?2的测试条件下，其锌利用率（ZUR）约为24.8%。在更高电流密度（10 mA cm^?2, 5 mAh cm^?2）和锌利用率（ZUR ≈ 62.1%）下，Gr paper@Zn仍能保持稳定循环超过190小时，而Cu foil@Zn和纯锌箔分别在46和82小时后失效。这表明石墨纸基负极材料可以有效缓解快速锌沉积过程中的局部电流密度不均和枝晶生长。

图对Gr paper基底和Cu基底在构建Zn||Cu半电池中的电化学性能进行了更深入的比较。在相同的测试条件下， specifically a current density of 10 mA cm^?2 and a capacity of 5 mAh cm^?2, the negative electrode featuring the Gr paper substrate displayed a notably more stable voltage plateau。在整个循环过程中，没有出现实质性波动，这强烈表明Gr paper基底的沉积/剥离过程高度可逆，界面反应保持稳定。相应的库仑效率曲线进一步证实了这一现象。具有Gr paper基底的负极在超过450次循环中保持了超过99.7%的平均库仑效率。相比之下，Cu基底仅实现了99.1%的平均库仑效率，并且只能维持115次循环。特别是在