锌阳极氮掺杂多孔碳表面功能层设计及可逆性研究

锌阳极因枝晶生长、析氢、形变和钝化等挑战,成为限制锌空气电池充放电循环性能的关键因素。本工作以聚季铵盐为碳源和氮源,通过硬模板法制备出具有丰富介孔结构的碳材料,并将其作为锌阳极的表面功能层(N-MC@Zn)。其中,N-MC@Zn的比表面积高达590.06 m^(2)·g^(-1),平均孔径为22 nm。研究表明,锌阳极表面构建氮掺杂的多孔碳功能层,在一定程度上有效缓解了上述寄生反应带来的负面影响。特别是多孔碳涂层丰富的孔隙为锌沉积/剥离提供了缓冲区,极大提高了锌离子的沉积动力学,稳定了其沉积/剥离过程,缓解了锌阳极的析氢腐蚀;此外,多孔碳涂层内的各向异性避免了尖端效应,抑制了枝晶生长。基于上述优势,N-MC@Zn表现出优异的充放电稳定性(140 h, 700次循环)、倍率充放电特性(0.5C~10C)以及放电容量。以上结果表明,多孔碳材料可作为高性能锌阳极功能层材料,为锌阳极涂层设计领域提供了新的视角。