加拿大滑铁卢大学Michael Fowler教授Carbon Energy：双掺杂石墨烯量子点促进长寿命水基锌离子电池的发展

研 究 背 景

随着社会的快速发展，对高性能、高安全性电池技术的需求日益迫切。传统锂离子电池因依赖有机电解质，存在短路和热失控风险，可能导致爆炸和火灾。水系锌离子电池（AZIBs）因其使用水作为主要电解质成分，具有更高的安全性，成为能源存储领域的新兴选择。然而，AZIBs的锌金属阳极存在锌枝晶生长和界面副反应等问题，限制了其实际应用。

成 果 介 绍

近日， 加拿大滑铁卢大学Michael Fowler教授 等人在 Carbon Energy 以 “Dual‐Doped Graphene Quantum Dots to PromoteLong‐Life Aqueous Zn‐ion Batteries” 为题发表了一项突破性研究成果， 提出了一种基于氮、硫双掺杂石墨烯量子点（N, S-GQDs）的新型固体电解质界面（SEI）设计，显著提升了水系锌离子电池的循环寿命和稳定性 。实验表明，经过N, S-GQDs修饰的锌阳极在对称电池中实现了超过800小时的长循环寿命，并在Zn|V ₂ O ₅ 电池中展现出超过1400次循环后仍保持80%以上的容量保持率。

研 究 亮 点

1.创新性SEI设计： 通过氮、硫双掺杂石墨烯量子点构建了亲水/疏水两性SEI，有效调控了锌离子的溶剂化/脱溶剂化结构。

2.显著提升电池性能： 锌阳极的循环寿命和稳定性大幅提升，为水系锌离子电池的实际应用提供了新的可能。

3.多维度表征手段： 结合多种先进表征技术，深入解析了N, S-GQDs对锌阳极界面行为和锌沉积形态的影响。

图 文 解 析

图1：N, S-GQDs的合成与表征

研究团队采用一步水热法合成了N, S双掺杂石墨烯量子点。通过原子力显微镜（AFM）和透射电子显微镜（TEM）观察到，N, S-GQDs尺寸均匀，分布在4-6纳米之间，具有高结晶性。X射线光电子能谱（XPS）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）进一步确认了氮和硫的成功掺杂。

图2：电化学性能测试

实验表明，经过N, S-GQDs修饰的锌阳极在高电流密度下展现出极高的稳定性。在Zn|V₂O₅全电池中，经过1400次循环后容量保持率超过75%，且充放电曲线显示出较低的极化。电化学阻抗谱（EIS）测试也表明，N, S-GQDs的加入显著降低了界面动力学。

图3：锌金属形貌与沉积分析

通过扫描电子显微镜（SEM）观察到，经过N, S-GQDs修饰的锌阳极表面沉积均匀，无明显副产物积累，而未修饰的锌阳极表面则出现明显的枝晶生长和副产物嵌入。接触角测试显示，N, S-GQDs修饰的锌阳极具有更好的润湿性，有助于电解液与锌金属界面的接触。

图4：锌离子沉积行为分析

原位光学显微镜和原位透射X射线显微镜（TXM）观察到，N, S-GQDs修饰的锌阳极表面沉积致密，无明显枝晶结构。原子力显微镜（AFM）和计算机断层扫描（CT）进一步揭示了修饰后的锌阳极沉积形态更为均匀，具有更低的比表面积，减少了副反应的发生。

图5：锌离子溶剂化结构分析

通过扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）表征，发现N, S-GQDs的加入显著降低了锌离子周围氧的配位数，表明氮的引入部分取代了水分子的配位，减少了脱溶剂化过程中的水分子数量，加速了锌离子的脱溶剂化动力学。

研 究 小 结

本研究通过氮、硫双掺杂石墨烯量子点设计了一种新型的亲水/疏水两性SEI，显著提升了水系锌离子电池的性能。N, S-GQDs不仅优化了锌离子的沉积行为，减少了枝晶生长，还通过调控锌离子的溶剂化结构，加速了脱溶剂化过程。这一成果为高性能、长寿命水系锌离子电池的设计提供了新的思路，有望推动其在实际应用中的进一步发展。

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