应用-MXene在锂钠金属负极中这样用-②

研究背景

由于独特的物化性质，MXene得到广泛研究，涉及多个领域。金属锂有望作为下一代高能量密度电池的负极材料，包括锂硫，锂空气电池。但在充放电循环过程中，由于锂的不均匀反复沉积/溶解，金属锂负极表面容易生长出锂枝晶，锂枝晶结构疏松，易脱落形成无电化学活性的“死锂”，导致电池可逆容量的迅速衰减，枝晶还会导致电池短路，这些问题限制金属锂电极在二次电池中的应用。设计特定结构3D宿主材料，有望获得无枝晶生长，实现安全高比能的柔性锂金属负极。MXene是一种新兴的二维材料，其具有高的导电性和低的锂离子扩散势垒，表面吸附的基团具有亲锂性。本次分享MXene在锂金属，钠金属负极的发展，仅仅是已发表文章的一部分，后期再分享其他文章。

文献1：

Horizontal Growth of Lithium on Parallelly Aligned MXene Layers towards Dendrite-Free Metallic Lithium Anodes

Adv. Mater. 2019, 31, 1901820.

内容简介

为了调节锂金属的精确成核和生长，北京航空航天大学材料学院杨树斌课题组，通过简单的自组装方式，制备了MXene薄膜层，可以有效诱导锂的成核，使得锂金属在MXenes片层上均匀沉积，沿着水平方向生长，而非随机成核生长和产生锂枝晶。此外，MXenes纳米片上面吸附的F官能团，有助于形成均匀的、持久的SEI薄膜。MXene-锂金属混合负极具有无锂枝晶、高锂含量，长循环寿命(900小时)。当放电深度大于5 mAh/cm2时，锂在Li-MXene的表面上生长，产生鹅卵石状的锂,当为35 mAh/cm2时，鹅卵石状的锂的颗粒尺寸变大，但并无锂枝晶的产生，说明二维纳米片的可控成核作用，对于锂金属电池具有巨大的应用潜力。

文献2：

Perpendicular MXene Arrays with Periodic Interspaces toward Dendrite-Free Lithium Metal Anodes with High-Rate Capabilities

Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1908075.

内容简介

最近的研究表明，得益于周期性的结构，3D导电宿主材料除了显着地促进锂离子或电子的转移，还为锂离子的沉积溶出提供了丰富的内部空间。因此，将这些周期性的3D导电宿主应用于锂电池，其倍率能力将得到改善。北京航空航天大学材料学院杨树斌课题组，设计了一种独特的MXene-Li阵列，该阵列具有两种周期性的间隔，通过抽滤成膜的方式，制备的MXenes壁中含有纳米级的间隔，通过将MXene薄膜与金属锂片交替辊压的方式，在MXene壁之间形成了微米级的间隔，在这种精心设计的结构阵列中，MXene层和金属锂层的厚度均可以调节。MXenes壁中为纳米尺度的间隙，这对于锂离子的快速运输是非常有利的。MXenes壁间为微米级的空隙，有效地均匀了电场，能够有效减少循环过程中的避雷针效应，从而将锂均匀沉积到MXene阵列内部。最终在周期性MXene-Li阵列的基础上实现了无枝晶锂负极。

文献3：

3D printing dendrite-free lithium anodes based on the nucleated MXene arrays

Energy Storage Materials 24 (2020) 670–675.

内容简介

3D打印作为一种快速成型技术，在制备周期性结构方面比较便利，鉴于MXenes的亲水性，北京航空航天大学材料学院杨树斌课题组，通过3D打印的方式，制备了周期性的MXene的3D阵列和3D晶格结构，通过电沉积的方式，便可以制备得到相应的锂金属负极复合材料，发现在锂沉积的过程中，锂的生长是沿着打印结构的边缘方向，而并不是长在基底上，随着深层次的沉积过程，3D阵列之间，3D晶格之间都会出现鹅卵石状的锂，逐渐将缝隙填充。由于晶格结构的3D的空隙，曲率比较大，其尖阵效应比较明显，3D阵列结构的电化学性能优于3D晶格结构的电化学性能，在设计周期性结构的宿主材料时，应注意对曲率的考虑。

信息来源： MXene笔记

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