香港城市大学Chunyi Zhi -- Ti3C2Tx MXene,一种实用的锌粉阳极, 作为晶格匹配电子/离子再分配器
锌离子电池的复兴引起了人们对锌金属阳极问题的高度关注，包括树突生长、死锌、效率低下和其他寄生反应。然而，相对于广泛使用的二维锌箔，事实上，锌粉阳极是工业应用中锌基电池更实用的选择，但相关的解决方案却很少被研究。本文以锌粉阳极为研究对象，揭示了其不同于锌箔的失效机理。利用二维柔性导电Ti3C2Tx MXene片作为电子和离子再分布器，构建了稳定、高可逆、无枝晶生长、低极化的锌粉阳极。低的晶格失配(10%)使得沉积Zn的(0002)面和Ti3C2Tx MXene的(0002)面之间能够形成相干的非均匀界面。因此，通过内部桥接的穿梭通道诱导Zn2+离子经历快速均匀形核和持续可逆的低能量势垒剥离/镀。与氰基六氰酸铁(FeHCF)负极配对，FeHCF//MXene@ Zn全电池具有卓越的循环耐久性和倍率性能，其使用寿命接近100%，接近裸锌粉的850%。提出的Ti3C2Tx MXene再分布策略涉及高速电子/离子通道、低势垒异质界面，有望广泛应用于其他碱金属阳极。
图1锌箔阳极与锌-磷阳极对称电池失效机理的区别说明：(a)Zn-p阳极的形貌演变。(b)对称Zn箔电池在1mAh cm-2和 (c)对称Zn-p电池在1mAh cm-2的典型电化学恒流充放电(GCD)曲线。(d) Ti3C2Tx MXene (0002)和Zn(0002) 镀层的Ti端部原子排列及其微小的晶格失配。
图2 (a) SEM图像，(b) TEM图像，(c)带有SAED图案的HRTEM图像，(d) Ti3C2Tx MXene薄片的AFM图像。 (a)插图显示Ti3C2Tx MXene悬浮液的廷德尔效应。(e) Ti3C2Tx MXene、Zn-p、MXene@Zn的ζ电位比较。(f) Ti3C2Tx MXene悬浮液、Zn-p及其混合物放置0.2 h后的数字图像。(g) Zn-p和(h) MXene@Zn复合材料的SEM图像。(i) MXene@Zn复合材料示意图。(j) Cu衬底上MXene@Zn阳极的横截面SEM图像，以及Cu、Zn、Ti、Cl、F元素的EDS映射。(k) Ti3C2Tx MXene、Zn-p、MXene@Zn的XRD谱图。(l) MXene@Zn复合材料XPS谱测量。
图3 Zn-p电极与MXene@Zn电极对称电池的电化学性能。(a) 1 mA cm−2下Zn-p, MXene@Zn阳极成核过电位。(b) Zn-p和MXene@Zn阳极的EIS谱。(c)Zn-p电池和MXene@Zn对称电池在1 ~ 5 mA cm−2固定容量下不同电流密度范围下剥锌/镀锌时的电压分布。(d) MXene@Zn对称电池GCD曲线。(e) Zn-p和MXene@Z 对称电池在1mA cm−2下的长期循环性能。(f) MXene@Zn阳极的电压迟滞与之前报道的修正比较锌箔阳极在相同电流密度的1mA cm−2。(g)Zn-p电极在循环后沉积阶段的SEM图像 (h)循环后MXene@Zn电极在沉积阶段的SEM图像 (i) MXene@Zn电极在2 M ZnSO4固定电流和容量分别为5 mA cm−2和2.5 mAh cm−2的电解液中的原位光学观察。
图4. (a) 1 mV s-1时的CV概况。(b)在1mA cm-2下不同循环后的充放电电压分布。(c) Cu//Zn-p和Cu// MXene@Zn非对称电池的库仑效率曲线。(d) Cu//Zn-p和Cu//MXene@Zn非对称电池在0.5 4 mAh cm-2的不同沉积容量范围内进行特定循环后的充放电电压分布。(e)固定容量为2.0 mAh cm-2，不同电流密度范围下的充放电电压分布。(f) MXene@Zn电极在0.5 mAh cm-2、1.0 mAh cm-2、2.0 mAh cm-2不同沉积容量下的SEM图像。(g)测量沉积容量为2.0 mAh cm-2的MXene@Zn电极的XPS谱。(h)高分辨率Zn 2p XPS谱。
图5 (a) MXene@Zn的TEM图像。(b) MXene@Zn的HADDF-STEM图像及相应Zn元素的EDS填图数据。(c)具有明显异质界面区域的MXene@Zn复合材料的HRTEM图像。(d)具有明显六方Zn原子的放大异质界面区域的HRTEM图像。(e)异质界面和均匀Zn沉积的原子图解。
相关科研成果由香港城市大学Chunyi Zhi等人于2021年发表在ACS Nano（https://doi.org/10.1021/acsnano.1c04354）上。原文：Toward a Practical Zn Powder Anode: Ti3C2Tx MXene as a Lattice-Match Electrons/Ions Redistributor。