ACS NANO：MXene (Ti3C2Clx)層上的單鋅原子對(duì)無(wú)枝晶鋰金屬陽(yáng)極的固定
發(fā)布時(shí)間：2021-08-28 10:00:08 人氣：1272
一、文章概述.
鋰金屬以其高的理論重量容量(3860 mAh g -1)和低電位(-3.04 V vs標(biāo)準(zhǔn)氫電極(SHE))被認(rèn)為是最有前景的鋰基電池陽(yáng)極之一。不幸的是，在重復(fù)鍍剝過(guò)程中，鋰陽(yáng)極普遍存在不可控的枝晶，導(dǎo)致鋰電池循環(huán)壽命短，甚至短路。在這里，單鋅原子固定在MXene (Ti3C2Clx)層(Zn-MXene)有效地誘導(dǎo)Li成核和生長(zhǎng)。在初始鍍階段，由于Zn原子的大量存在，鋰在Zn- mxene層表面趨于均勻成核，然后由于邊緣處強(qiáng)烈的避雷針效應(yīng)，沿成核位置垂直生長(zhǎng)，形成碗狀鋰，但沒(méi)有鋰枝晶。因此，采用Zn-MXene薄膜作為鋰陽(yáng)極，其過(guò)電位為11.3 mV，循環(huán)壽命長(zhǎng)(1200小時(shí))，深度剝鍍可達(dá)40 mAh cm-2。
二、圖文導(dǎo)讀
圖 1. a) 固定在 MXene 層 (ZnMXene) 上用于鋰成核和生長(zhǎng)的單個(gè)鋅原子的合成過(guò)程。b) Zn-MXene 納米片的典型 TEM 圖像，顯示出透明特征。c, d) HAADF-STEM圖像，顯示了高密度的亮點(diǎn)(鋅原子)在MXene納米片。e)氮標(biāo)記后Zn-MXene-Li層在0.1 μAh cm-2電鍍水平下的STEM圖像。相關(guān)元素f) Ti和g) N (Li)的分布，表明Li在ZnMXene層上呈均勻形核。
圖 3. a) Zn-MXene-Li 陽(yáng)極在不同電流密度 (1 -16 mA cm -2) 下的倍率能力。b) 不同容量的 Zn-MXene-Li 負(fù)極在 5 -40 mAh cm -2(1 mA cm-2) 范圍內(nèi)的深度剝離和電鍍行為。c) 5 d、10、e)20和f)40mAhcm-2下的Zn-MXene-Li陽(yáng)極的掃描電鏡圖像。
圖4. a) Zn-MXene-Li/LFP 電池在不同倍率 (0.5- 5.0 C) 下的選定放電-充電曲線。b) Zn-MXene-Li//LFP、MXene-Li//LFP 以及 Cu-Li//LFP 電池的倍率能力，即使在 10 C 下也表現(xiàn)出良好的倍率能力。c) Zn-MXene-Li 的循環(huán)性能 //LFP、MXene-Li//LFP 以及 2 C 下的 Cu-Li//LFP 電池。d) Zn-MXeneLi//LFP 電池在 10 C 下的長(zhǎng)循環(huán)性能。（C=170 mA g -1 )
三、全文總結(jié)
總之，我們證明金屬鋰最初傾向于在單個(gè)鋅原子固定的MXene層上成核和生長(zhǎng)。隨后，由于平面上活性鋅位的作用和邊緣處強(qiáng)烈的避雷針效應(yīng)，鋰沿成核位點(diǎn)垂直生長(zhǎng)，提供碗狀鋰。因此，該陽(yáng)極具有過(guò)電位低、循環(huán)壽命長(zhǎng)和良好的深剝鍍性能。通過(guò)利用Zn-MXene-Li獨(dú)特的電化學(xué)行為，在10℃下，完整的電池顯示出良好的循環(huán)壽命高達(dá)500次。此外，基于成熟的軋制和噴涂技術(shù)，Zn-MXene薄膜及其混合鋰陽(yáng)極可以很容易地放大，這將大大有利于未來(lái)鋰電池的發(fā)展。
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