鋅離子電池的復(fù)興引起了人們對鋅金屬陽極問題的高度關(guān)注，包括樹突生長、死鋅、效率低下和其他寄生反應(yīng)。然而，相對于廣泛使用的二維鋅箔，事實(shí)上，鋅粉陽極是工業(yè)應(yīng)用中鋅基電池更實(shí)用的選擇，但相關(guān)的解決方案卻很少被研究。本文以鋅粉陽極為研究對象，揭示了其不同于鋅箔的失效機(jī)理。利用二維柔性導(dǎo)電Ti
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x MXene片作為電子和離子再分布器，構(gòu)建了穩(wěn)定、高可逆、無枝晶生長、低極化的鋅粉陽極。低的晶格失配(10%)使得沉積Zn的(0002)面和Ti
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x MXene的(0002)面之間能夠形成相干的非均勻界面。因此，通過內(nèi)部橋接的穿梭通道誘導(dǎo)Zn
2+離子經(jīng)歷快速均勻形核和持續(xù)可逆的低能量勢壘剝離/鍍。與氰基六氰酸鐵(FeHCF)負(fù)極配對，F(xiàn)eHCF//MXene@ Zn全電池具有卓越的循環(huán)耐久性和倍率性能，其使用壽命接近100%，接近裸鋅粉的850%。提出的Ti
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x MXene再分布策略涉及高速電子/離子通道、低勢壘異質(zhì)界面，有望廣泛應(yīng)用于其他堿金屬陽極。
圖1鋅箔陽極與鋅-磷陽極對稱電池失效機(jī)理的區(qū)別說明：(a)Zn-p陽極的形貌演變。(b)對稱Zn箔電池在1mAh cm
-2和 (c)對稱Zn-p電池在1mAh cm
-2的典型電化學(xué)恒流充放電(GCD)曲線。(d) Ti
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x MXene (0002)和Zn(0002) 鍍層的Ti端部原子排列及其微小的晶格失配。
圖2 (a) SEM圖像，(b) TEM圖像，(c)帶有SAED圖案的HRTEM圖像，(d) Ti
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x MXene薄片的AFM圖像。 (a)插圖顯示Ti
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x MXene懸浮液的廷德爾效應(yīng)。(e) Ti
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x MXene、Zn-p、MXene@Zn的ζ電位比較。(f) Ti
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x MXene懸浮液、Zn-p及其混合物放置0.2 h后的數(shù)字圖像。(g) Zn-p和(h) MXene@Zn復(fù)合材料的SEM圖像。(i) MXene@Zn復(fù)合材料示意圖。(j) Cu襯底上MXene@Zn陽極的橫截面SEM圖像，以及Cu、Zn、Ti、Cl、F元素的EDS映射。(k) Ti
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x MXene、Zn-p、MXene@Zn的XRD譜圖。(l) MXene@Zn復(fù)合材料XPS譜測量。
圖3 Zn-p電極與MXene@Zn電極對稱電池的電化學(xué)性能。(a) 1 mA cm
−2下Zn-p, MXene@Zn陽極成核過電位。(b) Zn-p和MXene@Zn陽極的EIS譜。(c)Zn-p電池和MXene@Zn對稱電池在1 ~ 5 mA cm
−2固定容量下不同電流密度范圍下剝鋅/鍍鋅時(shí)的電壓分布。(d) MXene@Zn對稱電池GCD曲線。(e) Zn-p和MXene@Z 對稱電池在1mA cm
−2下的長期循環(huán)性能。(f) MXene@Zn陽極的電壓遲滯與之前報(bào)道的修正比較鋅箔陽極在相同電流密度的1mA cm
−2。(g)Zn-p電極在循環(huán)后沉積階段的SEM圖像 (h)循環(huán)后MXene@Zn電極在沉積階段的SEM圖像 (i) MXene@Zn電極在2 M ZnSO
4固定電流和容量分別為5 mA cm
−2和2.5 mAh cm
−2的電解液中的原位光學(xué)觀察。
圖4. (a) 1 mV s
-1時(shí)的CV概況。(b)在1mA cm
-2下不同循環(huán)后的充放電電壓分布。(c) Cu//Zn-p和Cu// MXene@Zn非對稱電池的庫侖效率曲線。(d) Cu//Zn-p和Cu//MXene@Zn非對稱電池在0.5 4 mAh cm
-2的不同沉積容量范圍內(nèi)進(jìn)行特定循環(huán)后的充放電電壓分布。(e)固定容量為2.0 mAh cm
-2，不同電流密度范圍下的充放電電壓分布。(f) MXene@Zn電極在0.5 mAh cm
-2、1.0 mAh cm
-2、2.0 mAh cm
-2不同沉積容量下的SEM圖像。(g)測量沉積容量為2.0 mAh cm
-2的MXene@Zn電極的XPS譜。(h)高分辨率Zn 2p XPS譜。
圖5 (a) MXene@Zn的TEM圖像。(b) MXene@Zn的HADDF-STEM圖像及相應(yīng)Zn元素的EDS填圖數(shù)據(jù)。(c)具有明顯異質(zhì)界面區(qū)域的MXene@Zn復(fù)合材料的HRTEM圖像。(d)具有明顯六方Zn原子的放大異質(zhì)界面區(qū)域的HRTEM圖像。(e)異質(zhì)界面和均勻Zn沉積的原子圖解。
相關(guān)科研成果由香港城市大學(xué)Chunyi Zhi等人于2021年發(fā)表在ACS Nano（https://doi.org/10.1021/acsnano.1c04354）上。原文：Toward a Practical Zn Powder Anode: Ti
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x MXene as a Lattice-Match Electrons/Ions Redistributor。
轉(zhuǎn)自《石墨烯雜志》公眾號
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