通过用CeO?/生物质碳复合材料对锌阳极进行界面改性，实现了用于水系锌离子电池的无树枝晶阳极

《Diamond and Related Materials》：Accomplishing dendrite-free anode for aqueous zinc ion batteries by interfacial modification of zinc anode with CeO 2/biomass carbon composites

　　

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  将CeO₂附着在生物质衍生的碳（BC）上，然后将该复合材料涂覆在锌阳极上作为界面保护层。
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  CeO₂和BC的结合使复合材料具有更高的电导率、机械强度和优异的界面润湿性。
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  它有效抑制了锌枝晶的生长和氢气释放反应的发生。

引言

随着全球对能源需求的增长以及对环境保护的重视程度不断提高，除了传统能源外，开发和利用可再生能源和清洁能源已成为当务之急 [1], [2], [3], [4], [5], [6]。高效的电化学储能技术在这些清洁能源的储存和利用中发挥着关键作用 [7], [8], [9]。锂离子电池（LIBs）由于具有高能量密度、长循环寿命和低自放电率等优势，是目前最广泛使用的可充电电池 [10], [11], [12]。然而，由于有机电解液的存在，它们成本较高且安全性较差，这在一定程度上限制了其发展 [13], [14]。因此，水性锌离子电池（AZIBs）有望成为电化学储能技术的有力候选者，因为它们具有低成本、高理论容量、良好的安全性和较少的环境污染等优点 [15], [16], [17], [18], [19]。

然而，锌阳极存在一些缺点，包括锌表面形成锌枝晶、氢气释放反应、腐蚀和钝化，这些因素阻碍了它们的商业化应用 [20], [21], [22], [23]。具体来说，锌枝晶是由于锌在阳极表面的沉积不均匀而形成的。严重的锌枝晶生长可能会穿透隔膜，导致电池短路 [24]。此外，氢气释放反应会导致锌电极和电解液的消耗，从而缩短电池的使用寿命。该反应还会引起电解液中局部pH值的变化，从而引发腐蚀。另外，生成的OH^?会进一步与电解液反应，形成附着在阳极表面的副产物，使其钝化 [25], [26]。对于锌阳极有多种改性方法，如人工涂层 [27]、三维结构设计 [28]、合金阳极 [29]、电解液改性 [30]、隔膜改性 [31] 等。其中，人工涂层改性简单有效，因为它可以直接将阳极与电解液隔开，从而提高锌阳极的稳定性。目前应用于锌阳极的人工涂层材料包括基于碳的材料 [32]、金属有机框架 [33]、有机聚合物 [34] 和无机非金属材料 [35]。生物质碳（BC）材料属于基于碳的材料，具有丰富的来源、低成本和大量的官能团 [36], [37]，并且具有明显的经济优势。除此之外，它还富含N和O杂原子，可以无需复杂的杂原子掺杂过程就直接提供许多极性官能位点，使其成为锌阳极复合保护层的理想选择。然而，BC材料也存在机械性能较差 [38] 和在电池循环过程中结构塌陷等缺点。为了解决这个问题，可以将无机非金属材料与BC结合使用，以增强结构强度和导电性。

在本研究中，通过简单的水热法制备了CeO₂和BC复合材料（CeO₂/BC），并将其应用于AZIBs的Zn阳极表面涂层。固定在BC表面的CeO₂可以提供更多的亲锌活性位点，提高电导率，促进Zn²⁺的传输，构建均匀的电场，并引导Zn²⁺的均匀沉积。此外，固定的CeO₂还提高了材料的整体机械强度 [39]。这防止了材料在循环过程中的结构塌陷，延长了电池的循环寿命。由于这些优点，采用CeO₂/BC材料作为阳极涂层的AZIBs表现出优异的电化学性能。在测试的不同CeO₂比例的材料中，CeO₂/BC-2材料表现最佳。一个阳极涂有CeO₂/BC-2的对称电池在电流密度为1 mA cm^?2、面积容量为0.15 mAh cm^?2的条件下可以稳定循环3000小时，在电流密度为3 mA cm^?2、面积容量为1 mAh cm^?2的条件下可以循环2000小时。在电流密度为3 A g^?1的条件下，经过2500次循环后，CeO₂/BC-2//VO₂全电池的容量保持率为82.8%。

章节片段

BC的制备

购买的绿豆用去离子水通过超声波处理后彻底清洗，然后在80°C下干燥。之后，将清洗过的绿豆磨成粉末，并在氮气气氛中以5°C/min的加热速率在800°C下退火2小时，得到生物质碳（BC）。

CeO₂/BC的制备

CeO₂/BC复合材料是通过水热法制备的。首先，将0.15克BC放入38毫升去离子水中，并进行超声处理

结果与讨论

CeO₂/BC复合材料的制备过程如图1a所示。首先，通过SEM分析了材料的形态。图S1a显示生物质碳材料具有层状结构，而纯CeO₂（图S2a）由大约10纳米的纳米颗粒组成。从CeO₂/BC复合材料的SEM图像（图1b, c, d）中可以清楚地观察到，CeO₂/BC-1中的CeO₂含量非常低。在CeO₂/BC-2中，CeO₂附着在BC表面最为均匀。然而，在CeO₂/BC-3中

结论

总之，本研究介绍了一种通过简单水热法制备的CeO₂和生物质碳（BC）复合材料（CeO₂/BC），用于水性锌离子电池（AZIBs）的锌阳极表面涂层。由于CeO₂具有高电导率和机械强度，该复合材料赋予阳极优异的电化学性能和更长的循环寿命。在三种制备的比率中，CeO₂/BC-2表现出最有利的形态和最高的氧空位含量

CRediT作者贡献声明

林 Zhu：写作 – 审稿与编辑，监督，项目管理，概念规划。 王 飞：写作 – 审稿与编辑，研究，数据管理。 周 浩：写作 – 初始草稿，方法学研究，数据管理。 丁 佳乐：写作 – 审稿与编辑，研究，数据管理。 谢 易：写作 – 审稿与编辑，数据管理。 张 凯：写作 – 审稿与编辑，监督，资金筹集。

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利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

林 Zhu | 王 飞 | 周 浩 | 丁 佳乐 | 谢 易 | 张 凯