- 南京林業(yè)大學(xué)梅長(zhǎng)彤Adv. Sci.：纖維素納米纖維協(xié)同MXene實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命鋅金屬電池
- 發(fā)布日期：2022-07-13
由于鋅金屬負(fù)極具有吸引人的特點(diǎn)，包括其豐富的資源、成本效益、低氧化還原電位（-0.76 V vs 標(biāo)準(zhǔn)氫電極）和高理論容量（820 mAh g-1和5855 mAh cm-3），可充水系鋅離子電池（RAZIBs）是水系可充電池的最佳選擇之一。然而，不可控制的鋅枝晶生長(zhǎng)和寄生反應(yīng)極大地阻礙了高能量和長(zhǎng)壽命RAZIBs的發(fā)展。
鑒于此，南京林業(yè)大學(xué)梅長(zhǎng)彤教授、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院Zhao Kangning、路易斯安那州立大學(xué)Zhang Xiaoman報(bào)道了含有木質(zhì)素的纖維素納米纖維(LCNF)-MXene(LM)雙功能層對(duì)穩(wěn)定鋅負(fù)極界面的協(xié)同作用。一方面，LCNF在相對(duì)較低的孔隙率(52.2%)下可提供足夠的強(qiáng)度(43.7 MPa)以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散受限的枝晶抑制，而另一方面，MXene可用作鋅柵，促進(jìn)鋅離子遷移，限制活性水/陰離子在電極/電解質(zhì)界面的降解，并沿（002）平面外延引導(dǎo)鋅沉積。受益于擴(kuò)散限制枝晶的抑制和鋅柵的協(xié)同效應(yīng)，LM層在 Zn//Cu不對(duì)稱電池中實(shí)現(xiàn)了98.9%的高庫(kù)侖效率(CE)和1 mA cm-2下43.1 mV的低過電位。更重要的是，采用LM層的Zn//MnO2全電池在1 A g-1下經(jīng)過1000次循環(huán)后實(shí)現(xiàn)了90.0%的高容量保持率，遠(yuǎn)高于沒有保護(hù)層的全電池（500次循環(huán)為73.9%）。總之，這項(xiàng)工作為設(shè)計(jì)用于長(zhǎng)循環(huán)壽命電池的無枝晶鋅負(fù)極提供了新的見解。
文章要點(diǎn)：
1. 這項(xiàng)工作提出了一種新型的含木質(zhì)素的纖維素納米纖維(LCNF)-MXene(LM)保護(hù)層，以作為穩(wěn)定鋅金屬負(fù)極的理想界面層。
2. 這種具有優(yōu)異機(jī)械性能(43.7 MPa)的LM層具有雙重功能，其中LCNF充當(dāng)脫溶劑層，限制自由水分子從電極/電解質(zhì)界面釋放，以抑制水引起的腐蝕反應(yīng)，而MXene作為鋅控制層，引導(dǎo)枝晶在橫向的形成。這樣，受益于枝晶抑制和活性水/陰離子限制的協(xié)同作用，保護(hù)層在沉積過程中會(huì)引導(dǎo)鋅晶體沿(002)Zn方向生長(zhǎng)，與鋅負(fù)極表面平行。
3. 因此，與裸鋅對(duì)稱電池（219 h，194 mV）相比，具有LM層的鋅對(duì)稱電池具有788小時(shí)更長(zhǎng)的循環(huán)壽命和35 mV的較低極化電壓。此外，Zn|LM//Cu非對(duì)稱電池在1 mA cm-2下的200次循環(huán)中提供了98.9%的高CE和43.1 mV的低過電位。另外，Zn|LM//MnO2全電池在1 A g-1下實(shí)現(xiàn)了175.4 mAh g-1的更高容量和超過1000次循環(huán)的長(zhǎng)壽命，顯著高于Zn//MnO2全電池（64.2 mAh g-1，500次循環(huán)后為73.9%）。
