JMCA: MXene中原位形成LiF SEI用于稳定的锂金属电池

【研究背景】

 金属锂（Li）与标准氢电极相比，具有最高的理论容量（3860 mAh g^-1）和最低的电化学势（–3.04 V），一直以来被认为是锂基电池的理想负极材料。但由于无法控制的Li沉积和Li的高还原性（例如低库仑效率（CE），快速的电解质消耗以及树枝状晶体形成）所引起的问题，导致锂基电池的循环寿命非常短，甚至会严重危害安全性，因此阻碍了它们的实际应用。

【成果简介】

最近，香港大学Tianshou Zhao教授课题组在国际知名学术期刊Journal of Materials Chemistry A上发表一篇题目为：Bifunctional Effect of Laser-Induced Nucleation-Preferable Microchannels and in-situ formed LiF SEI in MXene for Stable Lithium-Metal Batteries的研究论文，该研究通过使用可扩展的飞秒激光烧蚀（fsLA）技术在MXene膜上加工对齐的微通道，并在辐照过程中通过fsLA 39的高能破坏化学键，同时在通道壁上合成亲硫材料（TiO₂）。得益于MXene固有的逐层特性，MXene的许多纳米级边缘都暴露在通道内，从而引发纳米级尖端效应。通过利用亲硫性位点和纳米尺度的尖端效应，在初始成核过程中，在通道壁上形成了均匀的Li核，并且很好地控制了通道内部的电场，从而导致朝通道内部有利的Li⁺离子通量。此外，由于MXene中固有的氟末端，在初始锂化过程中，在上表面上原位形成了LiF增强的SEI，可以显着抑制通道外部的枝晶形成，从而在上表面上消除了“热点”。因此，利用fsLA技术在MXene材料上的独特应用制造的3D主体可以实现在上表面优先进行内部锂沉积和无枝晶沉积的目标。

【图文导读】

图1.激光处理的MXene的形貌和结构表征

图2. 激光处理的MXene的成核过电势和FEM模拟

图3.锂沉积的形态表征

图4.Laser-MXene-50在1.0 mAh cm^-2和1.0 mA cm^-2下的非对称电池性能。

图5.在不同种电流密度下，激光处理的MXene的非对称电池性能

图6.Laser-MXene-50在20 mA cm^-2的超高电流密度下的非对称电池性能

图7. Laser-MXene-50的电化学性能和全电池测试

【本文总结】

本文通过创新和可扩展的飞秒激光技术，制造了具有成核优先微通道的基于MXene的Li金属主体。利用fs激光在MXene上的独特应用，首次在空间上精确合成了亲硫的TiO₂纳米颗粒。在此体系结构中，亲硫的TiO₂纳米颗粒在通道壁上形成许多Li核，诱导了极低的10 mV成核过电势，并且在原位形成的LiF增强SEI能够抑制枝晶的形成。更重要的是，通道内部MXene的纳米级边缘增强的尖端效应能够操纵电场，从而在通道内部引导均匀的Li⁺通量，这已通过FEM仿真验证。得益于其多重功能，经过激光处理的MXene在不对称电池，对称电池和全电池中表现出稳定的循环性能。我们期望MXene中的飞秒激光制造方法将为高性能锂金属基电池及其未来的大规模应用提供有利的灵感。

文献链接：

https://doi.org/10.1039/D0TA04302H

信息来源：MXene Frontie