ACS Nano：楼房结构的MXene用于金属阳极（Li，Na）的保护

【研究背景】

为了满足高能量设备需求，已经开发了各种先进的电池体系，如Li/Na−S、Li/Na−O₂和Li/Na−CO₂电池。金属碱阳极由于其最高的理论比容量(锂：3860；钠：1165mAh/g)和低的电化学电位(Li：−3.040；Na：−2.714 V)在高能量密度的电池中起着不可或缺的作用。不幸的是，碱金属阳极在循环过程中会产生大量的枝晶和无休止的体积变化，严重的影响了电池的安全性。因此急需开发一种具有多功能性的复合材料来稳定金属阳极。

【成果展示】

近日，哈尔滨工程大学曹殿学教授、朱凯副教授和吉林大学魏英进教授为共同通讯，哈尔滨工程大学方永正博士生和中科院化学所张莹博士为共同一作在国际知名期刊ACS Nano上报道了一种亲锂的三维多孔Ti₃C₂T_x-rGO薄膜作为稳定的骨架用于实现安全的碱金属(Li或Na)阳极。作者受楼房结构启发，利用氧化石墨烯（GO）在高温下的微观爆炸反应在MXene层间构造了无数的“小房子”，Li/Na金属则是这些小房子的主人，而他们的生活垃圾（枝晶和SEI膜）则会被安全地封装在每个小房子内。机械性能良好的MXene作为楼房的刚性骨架可以很好的缓解金属阳极在循环中的体积膨胀，并作为人工SEI膜阻止枝晶的持续生长。

此外，实验观测和理论计算揭示了MXene表面大量的官能团为Li和Na提供了很好的浸润性和吸附能力，从而使得熔融的Li或Na快速地浸入膜间，并在循环过程中诱导Li/Na原子的均匀沉积。最终实现了2400 h（100天，Li）和2000 h（Na）的超长循环。吉林大学连如乾博士生为第三作者为此工作提供了理论支持。

【图文详情】

图一：（a-f）Li/Na-Ti₃C₂T_x-rGO金属阳极的合成示意图；（g）熔融金属的快速浸润过程。

图二：纯Ti₃C₂ 对不同官能团（F、O、OH）的吸附能，以及他们分别对锂和钠的吸附能的第一性原理计算。

图三：形貌特征。（a）Ti₃C₂T_x-GO薄膜；（b）复合电极的不同阶段；（c、e）Ti₃C₂T_x-GO薄膜；（d、f）Ti₃C₂T_x-rGO薄膜；（g）Li-Ti₃C₂T_x-rGO薄膜；（h）Na-Ti₃C₂T_x-rGO薄膜。

图四：Li-Ti₃C₂T_x-rGO薄膜和纯Li箔的电化学特征对比。（a、b）电流密度为1 mA/cm²和5 mA/cm²下的循环性能；（c）Li-Ti₃C₂T_x-rGO的反应示意图；（d）Li-Ti₃C₂T_x-rGO薄膜和纯Li箔在不同电流密度下的循环时长对比；（e）Li-Ti₃C₂T_x-rGO和纯Li在反应后的电极表面形貌对比；（f）Li-Ti₃C₂T_x-rGO在不同阶段下的断面形貌对比。

图五：Li-Ti₃C₂T_x-rGO薄膜在深度剥离/沉积下的性能展示。（a、b）在3 mAh/cm²下的倍率性能；（c）在2、3、5、10 mAh/cm² 下的循环性能对比。

图六：LFP‖Li-Ti₃C₂T_x-rGO和 LFP‖bare-Li 全电池的电化学性能对比。（a）在0.5、2.0、和10 C下的极化性能对比；（b）倍率性能对比；（c）在2.0C下的循环稳定性对比。

图七：Na-Ti₃C₂T_x-rGO薄膜和纯Na箔的电化学特征对比。（a、b）电流密度分别为1 mA/cm²和3 mA/cm²下的循环性能；（c）Na-Ti₃C₂T_x-rGO和纯Na在反应后的电极表面形貌对比；（d）Na-Ti₃C₂T_x-rGO在不同阶段下的断面形貌对比。

【总结】

本工作通过熔融灌注的方式成功将金属锂或钠与3D多孔Ti₃C₂T_x-rGO薄膜复合。由于楼房结构的封装作用、高的导电性和良好的MXene的诱导作用使得复合金属阳极展现了良好的电化学性能和无枝晶生长的电极表面。此工作对安全的金属电极的开发和MXene材料在金属阳极领域的应用有一定的指导意义。

Yongzheng Fang, Ying Zhang, Kai Zhu, Ruqian Lian, Yu Gao, Jinling Yin, Ke Ye, Kui Cheng, Jun Yan, Guiling Wang, Yingjin Wei, and Dianxue Cao, Lithiophilic Three-Dimensional Porous Ti₃C₂T_x-rGO Membrane as a Stable Scaffold for Safe Alkali Metal (Li or Na) Anodes, ACS Nano, 2019, 13, 14319−14328. DOI:10.1021/acsnano.9b07729