锌（Zn）金属负极在开发廉价和安全的储能器件方面显示出巨大的前景。然而，如何在高放电深度（DOD）下规范高效镀锌/脱锌仍然是一项具有挑战性的工作。

基于此，加拿大阿尔伯塔大学Xiaolei Wang报道了在密度泛函（DFT）计算的指导下，通过合理选择单体、控制聚酰亚胺组装和热解，成功制备了三种杂原子掺杂的碳微/纳米结构（C_flower, C_disk,和C_sphere），并探索了它们作为锌金属电池和超级电容器基体材料的可行性。

文章要点

1）DFT计算结果表明，在O/N掺杂中，乙醚（C−O）、羧酸（−O−C=O−）和吡咯酸N基团有利于Zn的非均相成核。

2）实验结果显示，在碳基质中，C_flower显示出丰富的活性O/N掺杂和微米级的层次化结构，引导锌沉积到水平层中，在半电池中，电流密度为0.5−10 mA cm⁻²时，获得了最高的库仑效率（97−99%），而在对称电池中获得了长寿命（2000 h）和快速循环性能（20 mA cm⁻²）。

3）研究人员将C_flower型锌负极与三种用于锌基能源器件的正极材料相耦合。结果显示，与基于无主体锌负极的相应器件相比，前者在高放电深度下具有更出色的动力学性能和更长的寿命。

这项工作为构建锌以外的实用金属负极的3D层次化富碳微/纳米主体打开了大门。

参考文献

Zhixiao Xu, et al, Efficient Zn Metal Anode Enabled by O,N-Codoped Carbon Microflowers, Nano Lett., 2022

DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c04709

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c04709