Angew：三维羟基化MXene/碳纳米管无枝晶纳金属电极

钠具有高丰度和1166 mAh·g^-1的高理论比容量的优势，有望成为锂电池设计中极具吸引力的负极。然而，与金属锂电极一样，钠金属电极在沉积钠过程中由于枝晶形成不受控制，存在库伦效率低、循环稳定性差、安全隐患大的问题。为了解决这一问题，人们提出了利用纳米支架、优化电解液和设计人工保护层等方法。但这些进展仍难以满足金属钠电极的实际应用需求。一般来说，不均匀的Na沉积在很大程度上取决于电流密度，Na⁺/电子传输动力学和亲盐性（成核势垒或局部电势）的不均匀分布。此外，最近的研究表明，电极的局部高温很容易触发锂枝晶的生长。与二维MXene材料相比，羟基化MXene材料具有纤维状的形貌，羟基/氟基团含量较多，具有较高的电导率和导热系数。以往的研究表明，负载氧官能团可以改善碳宿主的亲盐/亲锂性质，从而使Na/Li成核的过电势相对较低。

  最近，南开大学陈军院士团队在国际知名学术期刊Angewandte Chemie International Edition上发表一篇题目为：3D hydroxylated MXene/carbon nanotubes composite as scaffold for dendrite-free sodium-metal electrode的研究论文，报道了纤维状羟基化Ti₃C₂/CNTs(h-Ti₃C₂/CNTs)复合材料作为柔性和稳定的3D基质，用于无枝晶生长的均匀Na成核。该复合材料具有丰富的亲盐性、良好的导热性、快速的Na⁺/电子传输动力学和优异的机械性能。

图1. （a）h-Ti₃C₂/CNTs的合成示意图 (b-g)相应材料的形貌表征

图2. （a）h-Ti₃C₂/ CNTs / CNTs薄膜的柔韧性 （b）h-Ti₃C₂/ CNTs / CNTs和h-Ti₃C₂ / CNTs/CNTs / Na的截面SEM图像 （c）不同金属电极的机械性能（d）通过激光加热的支架温度分布示意图 （e和f）沉积在CNT和h-Ti₃C₂/ CNTs膜上的Na的相应SEM图像（俯视图）（g）CNT和h-Ti₃C₂/ CNTs薄膜的热导率

图3. h-Ti₃C₂ / CNTs的电化学表征与DFT计算结果。

图4. (a)首次沉积Na时在Cu集流体、CNTs支架和h-Ti₃C₂/CNTs复合支架上的原位XRD谱线等高线图 (b) Na电极、 CNTs/Na电极和(c) h- Ti₃C₂/CNTs/Na剥离(1h)和再电镀(1h)过程的截面原位光学显微镜照片

图5. （a）Na，CNTs / Na和h- Ti₃C₂/CNTs / Na对称电池的电压曲线 （b）Cu，CNTs和h- Ti₃C₂/ CNTs支架的电镀-剥离的库伦效率 （c）h- Ti₃C₂/ CNTs / Na电极在对称电池中的倍率性能 （d）Na║O₂电池的示意图 （e）以h- Ti₃C₂ / CNTs / Na电极在500 mA·g^-1的电流密度下对Na║O₂电池的充放电曲线 （f）在电流密度为500 mA·g^-1下使用不同的钠金属电极的库仑效率和放电容量

本文展示了一种灵活而稳定的3D h- Ti₃C₂/CNTs基质，具有优异的机械性能，良好的导热性，高嗜碱位和快速的Na⁺/电子传输动力学，可作为Na负极的支架。这有效地调节了金属钠的成核并抑制了钠枝晶的生长。具有一定亲氧性和氟官能团的羟基化纤维状MXene（h- Ti₃C₂）在减少成核过电势和诱导Na的均匀成核方面起着重要作用。同时，CNT具有成膜性能，拉伸强度和优异的导电性。因此，h- Ti₃C₂/ CNTs支架表现出优异的电化学性能，在1000次循环后的平均CE约为99.2％。基于h- Ti₃C₂/ CNTs / Na的对称电池即使在更高容量（5 mAh·cm^-2）和大电流密度（10.0 mA·cm^-2）的情况下，仍可保持稳定的镀层/剥离性能和出色的循环寿命。此外，具有h- Ti₃C₂/CNTs / Na负极的Na-O₂电池在70个循环后显示出0.11 V的低电势差。这项工作为开发用于高能量和高功率电池系统的Na金属电极提供了启示。

文献链接：

https://doi.org/10.1002/anie.202006783

信息来源：MXene Frontie