Adv. Energy Mater.｜垂直排列MXene纳米片阵列调控锂金属成核与生长

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北科纳米可提供垂直排列MXene纳米片（可定制）

研究摘要

锂金属得益于较高的理论容量与较低的还原电位被认为是一类最佳的负极材料体系。然而，不均匀的锂金属枝晶生长极大地限制了其实际的应用。鉴于此，电子科技大学张晓琨研究员、北京航空航天大学杨树斌教授与宫勇吉教授研究团队在《Advanced Energy Materials》发表研究成果，报道了一种通过冰模板辅助刮刀涂覆方法制备的，垂直排列的Ti₃C₂T_x MXene纳米片阵列，以调控锂金属成核并诱导锂金属的沉积。这种垂直的结构表现出较低的弯曲程度，进而实现快速的锂传输。此外，Ti₃C₂T_x 表面丰富的-F与-O基官能团有助于均匀固态电解质界面层的形成，这对于控制锂金属的成核与生长非常重要。因此，这种垂直排列的Ti₃C₂T_x MXene电极在1.0 mA cm^-2的面电流密度下，经过450次循环后能够产生1.0 mAh cm^-2的容量与较高的昆仑效率（98.8%），甚至在超高的5.0 mA cm^-2面电流密度下可以实现稳定的锂沉积与剥离行为，面容量高达5.0 mAh cm^-2。与磷酸铁锂正极匹配组装全电池时，表现出优异的稳定性与倍率性能。

图文导读

图1. v-Ti₃C₂T_x 电极的合成路线图与表征。

图2. 不同电极上SEI层的研究。

图3. v-Ti₃C₂T_x电极及对比电极在锂电镀与剥离过程中的形貌演化。

图4. v-Ti₃C₂T_x电极与h-Ti₃C₂T_x电极锂沉积行为的COMSOL模拟。

图5. v-Ti₃C₂T_x电极与h-Ti₃C₂T_x电极的电化学性能测试结果。

总结

结果表明，这种垂直排列的MXene阵列的低曲率不仅可以使锂离子与电场均质化，还可以丰富用于锂沉积的活性表面积。优化的SEI层富含Li₂O与LiF，这主要得益于MXene表面丰富的-O与-F官能团，而这对于锂金属的成核与生长调控具有重要意义。与水平排列的MXene相比，1这种垂直排列的MXene电极可以提升半电池与全电池器件的循环稳定性与倍率性能。这种独特的设计实现了低曲率结构与SEI层改性的完美结合，对于锂金属负极的发展提供了一个工艺简易的策略。

文献链接

https://doi.org/10.1002/aenm.202200072

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