水系锌（Zn）金属电池因其高固有容量、高安全性、低成本等优点而备受关注。然而，Zn负极失控的枝晶生长和严重的副反应阻碍了其进一步应用。

基于此，滑铁卢大学陈忠伟教授，扬州大学李鸿鹏，哈尔滨理工大学Lichao Tan报道了展示了一种新型的3D Zn金属复合负极，它由MOF衍生的ZnO纳米团簇锚定在N掺杂的非晶态碳改性石墨烯和基于碳纳米管(CNTs)的分层多孔主体（3D-ZGC）中构建而成，具有超高的锌剥离/电镀速率和优异的长期循环寿命。

文章要点

1）研究发现，亲锌ZnO纳米团簇由于具有较高的Zn亲和力，可以降低成核势垒，可以作为预先种植的成核种子来诱导均匀的Zn成核。高比表面积的三维导电多孔结构不仅显著降低了局部电流密度，而且均匀了电场和Zn²⁺离子通量的分布，从而防止了Zn枝晶的形成，加速了Zn的沉积动力学。此外，一维(1D)碳纳米管优异的应力释放能力和二维(2D)层状石墨烯纳米片的高杨氏模量可以有效地缓解连续电镀和剥离引起的锌的无限体积变化，保证了电极的结构稳定性。

2）实验结果显示，Zn@3D-ZGC复合负极通过亲锌位点和3D导电主体的协同耦合，在对称电解槽中，即使在20 mA cm^-2的超高电流密度下，也能平稳稳定地工作1000次以上，且过电位较低(<65 mV)。此外，Zn@3D-ZGC复合负极在20 mA cm^-2处的库仑效率(CE)高达99.4%(半电池)，其面积容量高达10 mAh cm^-2。当与MnO₂正极配对时，全电池可以提供高比容量（200 mA g^-1时为238.3 mAh g^-1）和显著的高倍率循环稳定性（2000 mA g^-1时为6000 mAh g^-1）。

这项工作为设计用于高性能锌金属水基电池的无枝晶、坚固耐用的锌复合负极提供了一种新的思路。

参考文献

Pan Xue, et al, A MOF-Derivative Decorated Hierarchical Porous Host Enabling Ultrahigh Rates and Superior Long-Term Cycling of Dendrite-Free Zn Metal Anodes, Adv. Mater. 2022

DOI: 10.1002/adma.202110047

https://doi.org/10.1002/adma.202110047