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Regulated Electrodeposition of Na Metal in Monolithic ZIF-Pillared Graphene Anodes

材料科学 法拉第效率 过电位 化学工程 石墨烯 阳极 沸石咪唑盐骨架 氧化物 纳米技术 咪唑酯 电极 金属有机骨架 电化学 冶金 吸附 有机化学 化学 物理化学 工程类
作者
Qiya He,Xin Jin,Zhonghua Li,Ziqiang Cai,Jiaming Tian,Junfeng Hui,Huigang Zhang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (1): 1203-1211 被引量:8
标识
DOI:10.1021/acsami.1c21841
摘要

Sodium (Na) metal batteries receive increasing attention because of their high energy densities and low costs that are enabled by the abundant Na resources. However, dendritic growth and low efficiency of Na-metal anodes limit the practical applications of Na-metal batteries. Here, we propose a three-dimensionally pillared structure in which carbonized nanoparticles of zeolite imidazolate framework-8 (ZIF-8) are sandwiched between reduced graphene oxide (rGO) sheets (ZIF-8-C@rGO). Such a pillared structure enables two advantages over rGO. First, the sodiation products of ZIF-8 (NaZn13, Na2O, and N-doped carbon) have a strong chemical affinity to Na metal, thereby inducing favorable nucleation of Na metal to guide Na deposition. Second, the pillared structure could facilitate the diffusion of Na ions through rGO sheets and help homogenize the current distribution, leading to a uniform deposition of Na metal. As a result, ZIF-8-C@rGO exhibits a dendrite-free morphology during Na plating/stripping and excellent cycling stability with high Coulombic efficiency of over 99.8% for at least 2000 h. A symmetric cell could maintain more than 4000 h with a stable average overpotential of only 30 mV at a capacity of 1 mA h cm-2. This work demonstrates that the design of a ZIF-pillared structure could combine thermodynamic and kinetic regulating factors to offer an alternative solution to the development of durable Na electrodes for high-performance Na-metal batteries.
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