ACS NANO：MXene (Ti3C2Clx)层上的单锌原子对无枝晶锂金属阳极的固定

一、文章概述

锂金属以其高的理论重量容量(3860 mAh g ^-1)和低电位(-3.04 V vs标准氢电极(SHE))被认为是最有前景的锂基电池阳极之一。不幸的是，在重复镀剥过程中，锂阳极普遍存在不可控的枝晶，导致锂电池循环寿命短，甚至短路。在这里，单锌原子固定在MXene (Ti3C2Clx)层(Zn-MXene)有效地诱导Li成核和生长。在初始镀阶段，由于Zn原子的大量存在，锂在Zn- mxene层表面趋于均匀成核，然后由于边缘处强烈的避雷针效应，沿成核位置垂直生长，形成碗状锂，但没有锂枝晶。因此，采用Zn-MXene薄膜作为锂阳极，其过电位为11.3 mV，循环寿命长(1200小时)，深度剥镀可达40 mAh cm^-2。

二、图文导读

图 1. a) 固定在 MXene 层 (ZnMXene) 上用于锂成核和生长的单个锌原子的合成过程。b) Zn-MXene 纳米片的典型 TEM 图像，显示出透明特征。c, d) HAADF-STEM图像，显示了高密度的亮点(锌原子)在MXene纳米片。e)氮标记后Zn-MXene-Li层在0.1 μAh cm-2电镀水平下的STEM图像。相关元素f) Ti和g) N (Li)的分布，表明Li在ZnMXene层上呈均匀形核。

图2.a)采用轧制和喷涂技术大规模制备Zn-MXene薄膜的原理图。b)制备的Zn-MXene薄膜照片。c) Zn-MXene薄膜的折叠和d)扭曲试验。从e)切片和顶部视图(左上角)扫描电镜图像Zn- mxene薄膜。f)电解质与Zn-MXene膜、MXene膜和Cu箔的接触角分别为低的Zn-MXene膜接触角(4.0 ^o)  g)在50 μA cm^-2下，在Zn-MXene膜、MXene膜和Cu箔上镀锂的电压-容量曲线显示，Zn-MXene膜的过电位较低(11.3  mV)。h) Zn-MXene-Li、MXene-Li和Cu-Li阳极前三个循环的剥落和电镀曲线。

图 3. a) Zn-MXene-Li 阳极在不同电流密度 (1 -16 mA cm ^-2) 下的倍率能力。b) 不同容量的 Zn-MXene-Li 负极在 5 -40 mAh cm ^-2(1 mA cm^-2) 范围内的深度剥离和电镀行为。c) 5 d、10、e)20和f)40mAhcm^-2下的Zn-MXene-Li阳极的扫描电镜图像。

图4. a) Zn-MXene-Li/LFP 电池在不同倍率 (0.5- 5.0 C) 下的选定放电-充电曲线。b) Zn-MXene-Li//LFP、MXene-Li//LFP 以及 Cu-Li//LFP 电池的倍率能力，即使在 10 C 下也表现出良好的倍率能力。c) Zn-MXene-Li 的循环性能 //LFP、MXene-Li//LFP 以及 2 C 下的 Cu-Li//LFP 电池。d) Zn-MXeneLi//LFP 电池在 10 C 下的长循环性能。（C=170 mA g ^-1 )

三、全文总结

总之，我们证明金属锂最初倾向于在单个锌原子固定的MXene层上成核和生长。随后，由于平面上活性锌位的作用和边缘处强烈的避雷针效应，锂沿成核位点垂直生长，提供碗状锂。因此，该阳极具有过电位低、循环寿命长和良好的深剥镀性能。通过利用Zn-MXene-Li独特的电化学行为，在10℃下，完整的电池显示出良好的循环寿命高达500次。此外，基于成熟的轧制和喷涂技术，Zn-MXene薄膜及其混合锂阳极可以很容易地放大，这将大大有利于未来锂电池的发展。

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