NanoEnergy：拓扑设计MXene纸柔性锂金属电池

【研究背景】

具有良好柔韧性，高能量密度和高安全性/可靠性的电化学能量存储系统对可穿戴电子设备，智能服装和健康监测器至关重要。锂金属电池（LMB）由于其较高的理论能量密度而很有发展。锂金属由于其高的比容量（3860 mA hg^-1）和低的还原电位（相对于标准氢电极为-3.04 V）被认为是合适的负极材料。

3D主体具有高比表面积表面和多孔结构，可以实现均匀的Li电镀/剥离，并且具有较低的局部电流密度和可忽略的体积变化，这使3D主体结构设计成为一种有前途的策略。然而，3D复合材料Li的厚度通常达到数百微米，这对Li的高效使用和电池的高能量密度提出了挑战。因此，在具有高安全性和高能量密度的柔性LMB领域中，设计出一种质量轻，机械强度高且方法简便自支撑的超薄锂负极尤为重要。

【成果简介】

最近，华中农业大学Huan Ye, Fei-Fei Cao教授课题在国际知名学术期刊Nano Energy上发表一篇题目为：Topological design of ultrastrong MXene paper hosted Li enables ultrathin and fully flexible lithium metal batteries的研究论文，该研究报道了一种简便的自旋蒸汽技术，通过混合微量的纤维素纳米纤维（CNF）设计作为Li主体的Ti₃C₂T_xMXene薄膜的拓扑结构。MXene薄片和CNF辅助的微球形成之间的互锁拓扑微观结构，极大地提高了所得MXene@CNF薄膜的机械强度和柔韧性。更重要的是，具有丰富的Li成核位点的MXene片材显示出对Li的理想亲和力。实现了柔性的，超薄的（约25μm），自支撑的MXene@CNF/ Li复合负极，而没有明显的Li树枝状晶体，并具有良好的循环稳定性和高的Li容量。如此获得的混合锂负极与柔性的自支撑LiFePO₄ /纤维素纳米纤维（LFP @ CNF）正极相匹配，可构建具有高比容量和出色稳定性的完全柔性LMB。

【图文导读】

图1. MXene@CNF膜上的锂电镀示意图

图2.（a-c）Ti₃C₂T_xMXene样品的TEM图像 （d-I）MXene@CNF膜的物理表征

图3.MXene微球的形成机理示意图

图4. Li在MXene膜上的沉积情况

图5.（a）在MXene@CNF和Cu箔上Li的恒电流电镀/剥离电压曲线 （b）相应的Li电镀/剥离效率 （c）MXene@CNF/ Li和Cu/ Li对称电池中的恒电流电镀/剥离特性（d-e）相应时间段的详细电压曲线

图6.MXene@CNF/Li||LFP和Cu/Li || LFP全电池电化学性能

【本文总结】

本文报道了一种拓扑设计，用于构建超薄，柔性和自支撑Ti₃C₂T_xMXene /纤维素纳米纤维复合纸。MXene片之间的微球有助于在片滑动过程中形成互锁的微观结构，从而显着提高MXene膜的机械强度和柔韧性。此外，这种设计可以有效地防止MXene的重新堆积，从而扩大了间隙，加快了反应动力学，并进一步确保了高面积的锂电镀和脱离能力以及出色的倍率性能。MXene表面装饰的大量亲硫官能团与Li的强相互作用可以诱导Li金属的均匀成核和无枝晶生长。如此获得的Li负极（〜25μm）在1 mA cm^-2的250个循环中显示出稳定的CE，在0.5mA cm^-2的1300 h中显示出较高的稳定性。实现了基于MXene@CNF/Li复合负极与柔性和自支撑LFP@CNF正极的全柔性电池。充满电的电池在大约100个循环中显示超过95.25％的高容量保留力，显示出优异的长期稳定性。这项工作不仅为具有超薄，柔性和自支撑特性的功能化MXene薄膜提供了一种简便，大规模的制备方法，而且将其实际应用扩展到了柔性储能器件领域。

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104817

信息来源： MXene Frontier

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