Nano Energy: MXene薄膜的拓扑结构设计助力高性能锂电池

电化学储能系统由于良好的灵活性、高能量密度和高安全性/可靠性对可穿戴电子设备和健康监测器等至关重要。在众多材料中，锂金属电池(LMBs)凭借较高的理论能量密度展现出广阔的应用前景。然而，几个问题阻碍了其实际应用。首先，锂枝晶在电沉积过程中不受控制的生长可能会导致电池内部短路，构成严重的安全隐患。二是受其较差的力学性能、锂的高粘度特性和不成熟的加工工艺限制，厚度难以低于30 μm。第三，体积的巨大变化可能形成多孔Li，造成粉化等，降低循环寿命。

成果简介

近日，华中农业大学的郭再萍教授和华中农业大学的曹菲菲教授以及叶欢副研究员在国际顶级期刊Nano Energy发表了题目为“Topological design of ultrastrong MXene paper hosted Li enables ultrathin and fully flexible lithium metal batteries”的论文。报道了一种简单的旋转蒸发技术，通过混合微量的纤维素纳米纤维(CNF)作为Li基底来设计Ti₃C₂T_x MXene薄膜的拓扑结构。MXene纳米片与CNF辅助形成的微球之间互锁的微观拓扑结构大大提高了MXene@CNF薄膜的机械强度和柔顺性。更重要的是，具有丰富的Li成核位点的MXene纳米片对Li表现出良好的亲和性。制得的柔性、超薄(～25 μm)和自支撑的MXene@CNF复合负极没有杂乱的锂枝晶，表现出良好的循环稳定性和较高的锂容量。所获得的杂化锂负极与柔性自支撑的LiFePO₄/纤维素纳米纤维正极相匹配，构建了高比容量、优异稳定性的全柔性LMBs。

图 1 MXene@CNF薄膜的的制备示意图。

图 2 MXene@CNF薄膜的形貌。

图 3 MXene微球的形成机理。

图 4 MXene@CNF薄膜的锂沉积。

图 5 MXene@CNF的Li电镀/剥离电化学性能。

图 6 MXene@CNF/Li||LFP@CNF全电池的充放电稳定性。

结 论

综上所述，设计了超薄、柔韧、自支撑的Ti₃C₂T_x MXene/纤维素纳米纤维复合纸的拓扑结构。MXene纳米片与CNF辅助形成的微球之间互锁的微观拓扑结构大大提高了MXene@CNF薄膜的机械强度和柔顺性。MXene@CNF复合负极没有杂乱的锂枝晶，展现出在1 mA cm⁻²下循环250次稳定的库仑效率以及0.5 mA cm⁻²下循环1300 h的优异稳定性。这项工作为功能化MXene薄膜的制备提供了一种简便、大规模的方法，也拓宽了在柔性储能领域的应用范围。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285520303748

信息来源： MXene学术