南開大學牛志強教授Angew. Chem. Int. Ed.：原位自發還原/組裝MXene助力無枝晶水系鋅離子電池

【引言】

眾所周知，水系鋅離子電池（ZIBs）由于其獨特的優點而受到人們的廣泛關注。金屬Zn是最常見的負極，成本低且可以大規模生產，但其固有的表面粗糙性將導致尖端附近局部電場的急劇增強。在充電過程中，Zn²⁺更傾向于隨著電場的增強而不斷沉積在尖端，逐漸演化為Zn枝晶。此外，在Zn剝離過程中，Zn枝晶容易從根部斷裂，轉化為“死鋅”，導致庫侖效率差（CE），容量衰減嚴重。 因此，研究者希望開發保護Zn負極的策略以抑制枝晶的生長。最近，已經開發了各種抑制Zn枝晶生長的策略，但諸如在Zn負極原位形成人工層以實現高度均勻的保護層還研究較少。

近日，南開大學牛志強教授（通訊作者）開發了一種原位自發還原/組裝策略，在Zn負極表面組裝超薄均勻的MXene層。通過原位電鏡觀察觀察和模擬電場分析，與純Zn相比，MXene層通過良好的電荷再分布效應，使Zn負極具有較低的Zn成核勢壘和更均勻分布的電場。同時，MXene層與電解質之間的潤濕性比未修飾的Zn更強，有助于電解質的滲透。因此，MXene修飾的鋅負極表現出明顯的低過電位和良好的無枝晶循環穩定性，從而保證了鋅離子電池的高容量保持率和低電位。相關研究成果以“?Direct Self-Assembly of MXene on Zn Anodes for Dendrite-Free Aqueous Zinc-Ion Batteries”為題發表在Angew. Chem. Int. Ed.上。

【圖文導讀】

圖一、無枝晶Zn負極構造原理圖（a）在Zn箔表面同步和還原組裝MXene層示意圖；

（b，c）在MXene層修飾Zn和純Zn箔沉積鋅過程示意圖。

圖二、材料表征?（a，b）頂部SEM圖像以及MXene層修飾Zn的相應元素圖譜；

（c）純Zn箔和MXene層修飾Zn的光學照片；

（d）電解液在純Zn箔和MXene層修飾Zn上的接觸角的對比；

（e）Ti₃C₂T_x薄膜和Ti₃C₂T_x-y膜的XPS圖譜；

（f，g）Ti₃C₂T_x薄膜和Ti₃C₂T_x-y膜的高分辨C 1s的XPS圖譜。

圖三、對稱電池的電化學性能對比（a）在電流密度0.2?mA cm^-2的條件下的長循環性能對比；

（b，c）在電流密度為0.5至5 mA cm^-2的條件下的倍率性能及其對應的過電位；

（d）在0.1?mV s^-1的掃數下的的Zn沉積/剝離的CV曲線；

（e）循環100次前后對稱電池的阻抗對比；

（f）本文的MZn-60負極與已報道的具有不同涂層的負極的過電位比較。

圖四、原位觀察及模擬電場分布（a，b）在原位條件下，觀察到的以5?mA cm^-2的電流在MZn-60和純Zn箔上沉積的圖像；

（c-f）MZn-60和純鋅在循環前和循環100次之后的SEM圖像對比；

（g，h）MZn-60和純Zn的模擬電場分布；

圖五、全電池性能（a-e）分別由純Zn和MZn-60組成的Zn/MnO₂全電池的電化學性能對比；（a）CV曲線，（b）充電/放電曲線，（c）倍率性能，（d）循環前的Nyquist圖以及（e）以1?A?g^-1電流循環500次的長循環性能。

【小結】

綜上所述，作者通過開發一種簡單的原位自發還原/組裝策略，在Zn負極表面組裝了均勻的MXene層，從而無Zn枝晶均勻沉積過程。其中，MXene層賦予Zn負極不同的優點，包括低成核能壘和均勻分布的電場。因此，MZn負極變現出長循環穩定性、較低的過電位以及光滑的無枝晶表面，具有作為ZIBs穩定負極的潛力。同時組裝了MZn-60/MnO₂電池，在500次循環后仍具有良好的循環穩定性和81%的容量保持率。毫無疑問，這種MXene修飾的Zn負極具有優異的電化學性能和無枝晶沉積行為，為高度穩定的Zn基電池系統提供了新的見解。

文獻鏈接：“Direct Self-Assembly of MXene on Zn Anodes for Dendrite-Free Aqueous Zinc-Ion Batteries”(Angew. Chem. Int. Ed.，2020，10.1002/anie.202012322)

本文由材料人CYM編譯供稿。歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

材料人投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu 。