北航楊樹斌教授AM：鋰金屬在平行對齊的MXene層上的橫向生長使鋰金屬負極無鋰枝晶

【引言】

化學活性非常高的鋰金屬容易和電解液反應，通常形成不均勻的固體電解質界面（SEI）。SEI層進一步引起鋰離子不規則的流動，使鋰枝晶的不可控的生長惡化。這最終導致鋰金屬負極失效和嚴重的安全問題。目前抑制鋰枝晶的策略有3種：1.形成穩定的SEI膜，保護鋰金屬不受電解液腐蝕，調節負極和電解液之間的界面的鋰離子的流動；2.控制鋰金屬的成核和生長來引導鋰金屬的沉積，抑制鋰枝晶的生長；3.利用導電的、化學性能穩定的、比表面積大的3D載體來大大降低電極的局部電流密度和調節電場。然而，鋰金屬精確的成核和定向的生長，尤其是深層的剝離和沉積，依然是一項重大的挑戰。

【成果簡介】

平行對齊的MXene(Ti₃C₂T_x)層不僅能有效引導鋰金屬在長徑比大的MXene納米片的表面上均勻成核，而且促進鋰金屬在MXene層上橫向生長。而且，負極和電解液之間的界面形成均勻的、持久的氟化鋰SEI，有效地統一鋰離子的流動。因此，平行對齊的MXene-鋰金屬 (PA-MXene-Li)混合負極的循環壽命高達900小時，容量高達35 mAh cm^?2。上述成果由北京航空航天大學楊樹斌教授（通訊作者）課題組于近日發表在國際著名期刊Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

圖1

a.鋰金屬沉積在鋰金屬層的示意圖

b.鋰金屬沉積在平行對齊的MXene (PA-MXene) 層的示意圖

c.PA-MXene層的SEM圖。插圖是PA-MXene層的頂視圖

d-f.分別是容量為0.2 mAh cm^?2（d）、0.5 mAh cm^?2（e）、2.5 mAh cm^?2（f）的條件下的PA-MXene-Li層的SEM圖，表明了鋰金屬逐漸橫向生長。

圖2.

a.鋰金屬分別沉積在PA-MXene-Cu、PA-MXene-O和Cu箔片的電壓曲線

b.鋰金屬沉積和剝離后PA-MXene-Cu和Cu箔片的高分辨率F1s XPS圖

c.PA-MXene-Li為負極的對稱電池的恒電流循環曲線

圖3.

a.電流密度從1mA cm^?2到25mA cm^?2時PA-MXene-Li的電壓曲線

b.容量從 5mAh cm^?2到35 mAh cm^?2時PA-MXene-Li的電壓曲線

c-f.容量分別為5 mAh cm^?2（c）、10 mAh cm^?2（d）、20mAh cm^?2（e）和35 mAh cm^?2（f）時PA-MXene-Li的SEM圖，表明形成了鵝卵石狀鋰金屬。

圖4.

a. PA-MXene-Li/LFP全電池的循環曲線和庫倫效率。插圖是從第10個循環到第400個循環的充放電曲線

b.PA-MXene-Li/LFP和Li/LFP全電池的倍率性能

c.PA-MXene-Li/LFP和Li/LFP全電池的循環穩定性

d.PA-MXene-Li/LFP全電池的電壓曲線

【小結】

研究團隊報道了平行對齊的MXene層能有效引導鋰金屬的成核和在MXene層上橫向生長，使鋰金屬負極無鋰枝晶、循環壽命高達900小時和容量高達35 mAh cm^?2。2D納米片作為成核位置的簡單策略能有效控制活性金屬（例如鋰、鈉）的生長方向，得到無枝晶的金屬負極。

文獻鏈接：Horizontal Growth of Lithium on Parallelly Aligned MXene Layers towards Dendrite‐Free Metallic Lithium Anodes（Adv. Mater.,2019,DOI:10.1002/adma.201901820）

本文由kv1004供稿。