3D MXene诱导的Li(110) 晶面演化用于稳定的锂金属阳极

【导论】

锂金属负极具有超高的理论比容量和较低的电化学反应电位，因此以其组装的锂金属电池可以提供较高的能量密度，是未来高比能器件的重要发展方向。然而，锂金属负极在电化学反应过程中很难实现均匀的锂沉积和锂剥离，从而易造成枝晶生长等严重的安全问题。

针对上述问题，我中心研究人员设计了一个具有良好诱导效应的3D MXene锂金属骨架，该骨架具有良好的亲锂性和诱导沉积效应，可以诱导Li(110)晶面的演化，进而实现了锂的均匀沉积和剥离，同时伴随着逐渐平滑的自修复电压曲线和致密的块状锂形成。最终，我们设计的复合锂金属负极实现了2000 h的超长循环和10 mA/cm² (5 mAh/cm²)下的大倍率、深度充放电。该工作为稳定的锂金属负极设计和研究提供了一定的借鉴。

【图文介绍】

我们通过电泳沉积方法，将超薄的Ti₃C₂T_x-MXene纳米片包覆在碳布（CC）纤维表面， 形成了柔性的3D MXene骨架。XPS结果表明，该骨架的表面继承了MXene的表面亲锂官能团，因此熔融锂可以快速浸润并均匀包裹在纤维表面，形成机械能能良好的复合锂金属负极。

图1. a. Ti₃C₂T_x纳米片的TEM图像；b、c. Ti₃C₂T_x-CC骨架的SEM图像；d-f. Li-Ti₃C₂T_x-CC的SEM图像和数码照片；g-i. Ti₃C₂T_x粉末Ti₃C₂T_x-CC的XPS谱图。

与纯Li片相比，我们设计的Li-Ti₃C₂T_x-CC负极在多种电流密度下均展现了十分稳定的循环性能，循环寿命长达2000 h，稳定充放电能力高达10 mA/cm² (5 mAh/cm²)。有趣的是，该复合电极在Ti₃C₂T_x-CC骨架的诱导下，展现出逐渐减小的电压极化和逐渐平滑的自修复电压平台。为揭示该现象和两种电极的电化学差异，我们从晶体学角度进行了分析，结果表明，循环后Li-Ti₃C₂T_x-CC负极的(110)晶面增多，而纯Li片始终由(200)晶面主导。

图2. a、b. Li-Ti₃C₂T_x-CC和纯Li片的循环性能对比；c. Li-Ti₃C₂T_x-CC的倍率性能；d. Li-Ti₃C₂T_x-CC前100圈的充放电曲线；e、f. Li-Ti₃C₂T_x-CC和纯Li循环前后的XRD图谱。

图三和图四揭示了由(200)晶面主导的纯Li及由(110)晶面主导的Li-Ti₃C₂T_x-CC在循环过程中的界面形貌演变及其动力学和热力学上的差异。计算结果表明，(110)晶面比(110)晶面具有更小的锂沉积能垒和扩散能垒。因此，可以看到(200)晶面更易形成枝晶、点蚀和死锂，且随循环圈数的增加，界面形貌不断恶化。而Li在Ti₃C₂T_x-CC 骨架的诱导下，(110)晶面表面不断增多，从而导致了锂均匀沉积，且随着循环的增加，表面会演化出Li(110)独有的致密锂块。

图3. a-c. 纯Li循环过程中的界面形貌；d-f. Li-Ti₃C₂T_x-CC循环过程中的界面形貌。

图4. a、b. (110)和(200)晶面上的锂沉积和扩散能垒计算；c. Li-Ti₃C₂T_x-CC和纯Li的反应机制的示意图。

该工作第一作者是方永正博士，通讯作者为哈尔滨工程大学大学曹殿学教授和中心周震教授。该工作得到了国家自然科学基金的资助。

原文链接: https://doi.org/10.1039/D2CC03288K

第一作者简介

方永正研究员：2021年博士毕业于哈尔滨工程大学，导师为曹殿学教授。2021年9月以直聘研究员身份入职郑州大学化工学院。目前主要从事电化学新型储能器件的设计与开发，包括锂、钠、钾离子电池，碱金属负极保护，水系储能电池等方面。同时，致力于MXene、石墨烯等二维材料的制备合成、维纳形貌调控及其相关储能电极的设计。曾以第一/通讯作者在Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Nano-Micro Lett.、J. Mater. Chem. A 等知名期刊发表学术论文9篇。