金屬鈉具有理論容量高、成本低、資源豐富等特點，已成為鈉離子電池理想的負極材料。然而，鈉金屬負極的真正可行性仍然受到不受控制的鈉枝晶問題的阻礙。在此，通過直接墨水書寫3D打印技術制造了一種人工三維（3D）分層多孔親鈉V2CTx/rGO-CNT微網(wǎng)格氣凝膠，并進一步用作Na金屬的基質(zhì)以提供Na@V2CTx/rGO-CNT鈉金屬陽極。循環(huán)后，V2CTx/rGO-CNT 電極可產(chǎn)生超過 3000 小時（2 mA cm
-2、10 mAh cm
-2）的優(yōu)異循環(huán)壽命，平均庫侖效率為 99.54%。更有吸引力的是，它甚至可以在 5 mA cm-2 ，50 mAh cm-2 的超高面積容量下穩(wěn)定運行超過 900 小時。原位和非原位表征和密度泛函理論模擬分析證明，具有豐富親鈉官能團的V2CTx可以有效引導鈉金屬成核和均勻沉積，從而實現(xiàn)無枝晶形貌。此外，將 Na@V2CTx/rGO-CNT 陽極與 Na3V2(PO4)3@C-rGO 陰極配對的全電池可以在 100 mA g
-1 下循環(huán) 400 次后提供 86.27 mAh g
-1 的高可逆容量。這項工作不僅闡明了親鈉性 V2CTx/rGO-CNT 微網(wǎng)格氣凝膠電極上優(yōu)異的鈉沉積化學，而且還提供了一種通過 3D 打印方法制造先進的鈉金屬陽極的方法。
Figure 1. 3D打印的V2CTx/rGO-CNT微網(wǎng)格氣凝膠電極的制備過程示意圖。
Figure 2. (a-c) 30% V2CTx/rGO-CNT 微網(wǎng)格氣凝膠的 SEM 圖像。(d) V2CTx/rGO-CNT 納米復合材料的 TEM 和 (e) HRTEM 圖像。 (f) V2CTx/rGO-CNT 微網(wǎng)格氣凝膠橫截面的 SEM 和相應的 EDS 元素映射。 (g) rGO-CNT、V2CTx 和 V2CTx/rGO-CNT 納米復合材料的 XRD 圖譜。 (h) V2CTx MXene 和 V2CTx/rGO-CNT 的 XPS 光譜。 (i) rGO-CNT 和 V2CTx/rGO-CNT 納米復合材料的 TGA 曲線。
Figure 3. 二維平面銅箔、rGO-CNT和各種V2CTx/rGO-CNT電極上Na金屬電鍍/剝離的電化學性能。 (a) 電極在 2 mA cm
-2 和 1 mAh cm
-2 下的 CE。 (b) 各種電極在 0.5 至 8 mA cm
-2 的電流密度下的倍率性能，有限的電鍍/剝離持續(xù)時間為 1 小時。 (b) 中的插圖顯示了銅箔電極的短路。 (c) rGO-CNT 和 (d) 30% V2CTx/rGO-CNT 微柵電極在 (b) 中測量的各種電流密度下的電壓-容量曲線。 （e）在（b）中測量的不同電流密度下每個電極的成核過電位。 30% V2CTx/rGOCNT 電極在 (f) 2 mA cm
-2 和 10 mAh cm
-2 和 (g) 5 mA cm
-2 和 50 mAh cm
-2 下的循環(huán)性能。 (h) 用于鈉金屬負極的 3D 打印石墨烯基基質(zhì)和 (i) 各種基于 MXene 的鈉金屬負極的電化學性能比較雷達圖。
Figure 4. 在 3D 打印的 V2CTx/rGO-CNT 電極上，在 0.2 mA cm
-2 下，Na 沉積和剝離的形態(tài)演變，沉積容量為 (a, a
1) 0.2, (b, b
1) 0.5, 和 (c, c
1) 2 mAh厘米-2; (d, d
1) 1, (e, e
1) 1.5, (f, f
1) 2 mAh cm
-2的剝離容量； (g) 相應的沉積-剝離曲線。 (h) Na 在 V2CTx/rGO-CNT 電極上以 1 mA cm
-2 沉積 2 小時的原位光學顯微鏡圖像。
Figure 5. (a) 原位 TEM 裝置的示意圖。 (b) V2CTx/rGO-CNT 鍍鈉過程的原位 TEM 快照和 (c) 原始 V2CTx/rGO-CNT 和 (d) 鈉沉積后的 SAED 圖案。 (e) 鈉沉積過程的示意圖。基于 DFT 計算的 Na 和 (f) C (石墨烯)、(g) F (V2CF) 和 (h) O (V2CO) 之間的結合能。
Figure 6. Na@V2CTx/rGO-CNT||NVP@C-rGO全電池電化學性能評價。 (a) 完整電池示意圖。 (b) NVP@C-rGO 正極和 Na@V2CTx/rGO-CNT 負極的恒電流充放電 (GCD) 曲線。 (c) 100 mA g
-1 時滿電池的 GCD 曲線。插圖是由完整電池供電的 LED。 (d) 在 100-2000 mA g
-1 的電流密度范圍內(nèi)運行的完整電池的倍率性能。 (e) 全電池在 100 mA g
-1 下的循環(huán)性能和相關 CE。
相關研究工作由鄭州大學Ye Wang課題組于2022年在線發(fā)表于《ACS Nano》期刊上，原文：3D-Printed Sodiophilic V2CTx/rGO-CNT MXene Microgrid Aerogel for Stable Na Metal Anode with High Areal Capacity。
轉自《石墨烯研究》公眾號
