应用-MXene在锂钠金属负极中这样用-③

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。本次从固态电解质角度分享MXene在锂金属负极的发展，仅仅是已发表文章的一部分，后期再分享其他文章。

文献1：

2D MXene-containing polymer electrolytes for all-solid-state lithium metal batteries

Nanoscale Adv., 2019, 1, 395.

内容简介

为了解决锂金属存在的问题，除了对锂金属本身进行修饰和改性之外，也可以从电解质方面入手，即使用固态电解质替换通常有毒、易燃的有机电解液，然而，脆性和界面问题，限制了无机固态电解质在锂金属电池中的应用，而质轻，柔性的聚合物电解质面临室温下电导率低的问题。将两者的优点相结合，即用无机添料来改善聚合物电解质的电导率成了一种可行方案。

本文通过室温下液体搅拌混合，滴加到PTFE基体上蒸发的方式，制备了柔性的，MXene基的聚合物电解质薄膜。其中[EO]/[Li+] 比例固定为20，根据相关的文献报道，这个比例值时，整个PEO解质薄膜具有最高的离子电导率。设计了一系列不同MXene含量的PEO基样品，不添加MXene的PEO20-LiTFSI的电解质用作对比试验，测试了MXenes基聚合物电解质的电导率随MXenes含量，温度变化的情况，由于PEO的熔融，发现在~45–50℃存在曲线斜率的变化。在不同的恒定温度下，电导率都随着MXenes含量的增加而增加，到MXenes含量达到0.4wt%时，60℃和28℃下的电导率均达到了最大值。再增加MXenes的含量，电导率反而呈现下降的趋势。由于MXenes良好的分散性，亲水性，表面电负性以及吸附的官能团与PEO分子链相互作用，所需添加的MXenes含量远远低于其他报道的一些无机添料，表明MXene在提升电导率方面非常有效，尽管MXenes导电性能优异，但由于含量非常少，无法形成渗流途径，其电子电导率可以忽略，能够用作聚合物电解质。

文献2：

MXene-Based Mesoporous Nanosheets Toward Superior Lithium Ion Conductors

Adv. Energy Mater. 2020, 1903534.

内容简介

考虑到聚合物电解质室温下较低的离子电导率和较低的杨氏模量，常常需要添加无机填料。北京航空航天大学材料学院杨树斌课题组，通过表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵的诱导，静电作用吸附组装，使得正硅酸乙酯在MXene表面原位可控水解的方法，制备了具有夹层结构的，高比表面积和二维特性的MXene基介孔二氧化硅纳米片。此法制备的复合结构具有低电导率，MXene基材料表面的官能团(-OH等)增强与锂盐中的阴离子（TFSI-）的路易斯酸作用,从而促进Li+在聚氧化丙烯（ePPO）基体中的迁移。由此所获得的固态电解质离子电导率高达4.6x10-4 S/cm, 杨氏模量10.5 MPa，同时表现出良好的电化学稳定性。

将ePPO和MXene-mSiO2在150℃下固化，通过在LiTFSI/PC体系中溶胀后形成固态电解质，具有很好的抗疲劳性能和形变恢复能力。以上性质得益于MXene-mSiO2表面的官能团与ePPO之间的氢键作用，PC起到了增塑的作用，使得聚合物固态电解质能够在室温下对离子导通，室温下高达4.6x10-4 S/cm的离子电导率，同时具有良好的倍率性能以及循环稳定性，拓展了高导电性的MXenes在固态电解质领域中的应用。

北京航空航天大学材料学院杨树斌课题组围绕MXene在锂金属负极应用方面取得系列进展，现将部分文献汇总如下：

①Flexible Ti3C2 MXene-lithium film with lamellar structure for ultrastable metallic lithium anodes; Nano Energy 39 (2017) 654–661.

②Single Zinc Atoms Immobilized on MXene (Ti3C2Clx ) Layers toward Dendrite-Free Lithium Metal Anodes; ACS Nano 2020, 14, 891−898.

③Horizontal Growth of Lithium on Parallelly Aligned MXene Layers towards Dendrite-Free Metallic Lithium Anodes; Adv. Mater. 2019, 31, 1901820.

④Perpendicular MXene Arrays with Periodic Interspaces toward Dendrite-Free Lithium Metal Anodes with High-Rate Capabilities; Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1908075.

⑤3D printing dendrite-free lithium anodes based on the nucleated MXene arrays; Energy Storage Materials 24 (2020) 670–675.

⑥MXene-Based Mesoporous Nanosheets Toward Superior Lithium Ion Conductors; Adv. Energy Mater. 2020, 1903534.

信息来源： MXene笔记

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