北科納米可提供MXene-GF Janus隔膜（可定制）

研究摘要

近年來(lái)，水系鋅離子電池因其低成本、高安全性受到了廣泛關(guān)注。同時(shí)，鋅具有較低的氧化還原電位（–0.76 V?vs.?氫標(biāo)電極）和較高的比容量（820 mAh g–1; 5855 mAh cm–3）。然而，水系鋅離子電池負(fù)極側(cè)枝晶生長(zhǎng)和腐蝕等問(wèn)題會(huì)降低電池循環(huán)性能；當(dāng)枝晶生長(zhǎng)刺穿隔膜觸碰到對(duì)電極時(shí)，電池將發(fā)生短路。

為了解決上述問(wèn)題，通常的策略包括構(gòu)筑人工界面層、隔膜修飾、設(shè)計(jì)三維宿主、電解液改性及合金化處理。但目前報(bào)道的工作很少?gòu)匿\枝晶產(chǎn)生的本質(zhì)出發(fā)，即縮小鋅離子傳質(zhì)過(guò)程與氧化還原法拉第過(guò)程的速率差異。Ti3C2Tx?MXene其豐富的表面官能團(tuán)有望發(fā)揮去溶劑化、加速鋅離子擴(kuò)散等作用。更為重要的是，Ti3C2Tx具有良好的導(dǎo)電性，當(dāng)二維Ti3C2Tx片層覆蓋在絕緣纖維表面時(shí)，由于導(dǎo)電性的差異在外場(chǎng)條件下會(huì)產(chǎn)生微觀偶極子，使得整體纖維材料的介電常數(shù)增大。由于Maxwell-Wagner效應(yīng)，這將導(dǎo)致在鋅離子傳質(zhì)方向上產(chǎn)生一個(gè)均勻且場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)的電場(chǎng)以加速鋅離子遷移過(guò)程，從而改善鋅負(fù)極側(cè)傳質(zhì)過(guò)程和法拉第過(guò)程的動(dòng)力學(xué)失配狀況。

近日，蘇州大學(xué)孫靖宇教授團(tuán)隊(duì)采用噴涂式印刷的方法將Ti3C2Tx?MXene材料均勻覆蓋于商用玻璃纖維隔膜（GF）的一側(cè)，通過(guò)改變MXene墨水的濃度，獲得了介電常數(shù)可調(diào)的改性隔膜（MXene-GF）。優(yōu)化后的MXene-GF具有比商用隔膜更高的介電常數(shù)，這有助于通過(guò)Maxwell-Wagner 效應(yīng)構(gòu)造一個(gè)均勻的內(nèi)建電場(chǎng)以加快鋅離子遷移過(guò)程，從而在動(dòng)力學(xué)上減緩了鋅枝晶的產(chǎn)生。本文研究發(fā)現(xiàn)，隨著MXene墨水濃度的增大，隔膜介電常數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在 MXene墨水濃度為3.0 mg mL–1時(shí)，改性隔膜具有最高的介電常數(shù)。除了增強(qiáng)的介電常數(shù)幫助構(gòu)建均勻正向內(nèi)建電場(chǎng)來(lái)加速鋅離子遷移，鋅離子擴(kuò)散及去溶劑化過(guò)程由于MXene表面豐富官能團(tuán)的存在也得到了促進(jìn)。相應(yīng)地，鋅電極的抗腐蝕能力也得到了提升。使用MXene-GF組裝對(duì)稱電池，分別在1 mA cm–2/1 mAh cm–2和5 mA cm–2/1 mAh cm–2下獲得了1180 h和1200 h的循環(huán)壽命。使用MXene-GF組裝成的全電池，在5.0 A g–1下循環(huán)可獲得高容量保持率。

該成果在線發(fā)表于國(guó)際著名期刊Advanced Functional Materials?(影響因子18.808) 上，題目為：Printing-Scalable Ti3C2Tx?MXene-Decorated Janus Separator with Expedited Zn2+?Flux toward Stabilized Zn Anodes.?孫靖宇課題組碩士研究生蘇奕聞、博士后劉冰之為第一作者。

圖文導(dǎo)讀

圖1.?a) MXene-GF隔膜的制備以及功能示意圖。b) 商業(yè)GF和MXene-GF的數(shù)碼照片。插圖：所使用的印刷墨水。c) 不同隔膜中極化電荷分布示意圖。d) 直徑為11 cm的MXene-GF材料數(shù)碼照片。

圖2.?a) Ti3C2Tx?MXene納米片的AFM圖像，顯示典型厚度為2 nm。b) Ti3C2Tx?MXene納米片的TEM和c) HRTEM圖像。d) MXene-GF的SEM圖像。e) MXene-GF的高分辨XPS C?1s譜。f) MXene-GF和GF的XRD譜。g) 數(shù)碼照片顯示液滴在GF和MXene-GF上的接觸角。h) GF和MXene-GF的電滯回線。

圖3.?a) 基于不同MXene-GF隔膜的對(duì)稱電池在5 mA cm?2/5 mAh cm?2下的循環(huán)性能比較。b) 基于MXene-GF和GF的對(duì)稱電池在1 mA cm?2/1 mAh cm?2條件下的循環(huán)性能。c) 基于MXene-GF和GF的對(duì)稱電池的倍率性能。在1 mA cm?2/1 mAh cm?2下20次循環(huán)后d) 裸 Zn和e) 受保護(hù)Zn的SEM圖像。f) 在2 mA cm?2/0.5 mAh cm?2下基于不同隔膜的Ti-Zn電池庫(kù)倫效率。g) 有/無(wú)MXene-GF保護(hù)的Zn在1 mA cm?2/1 mAh cm?2下20次循環(huán)后的XRD圖譜。h) 基于GF和MXene-GF的對(duì)稱電池的Tafel曲線。

圖4.?a) MXene-GF和b) GF在不同溫度下的EIS譜。c）相應(yīng)擬合的阿倫尼烏斯曲線。d) 原位光學(xué)觀測(cè)配備GF/MXene-GF的鋅片在5 mA cm–2電沉積形貌變化。比例尺：100 μm。e) MXene-GF的計(jì)時(shí)電流曲線，電位為10 mV。插圖：計(jì)時(shí)電流測(cè)試前后對(duì)應(yīng)的EIS譜。COMSOL模擬f) GF和g) MXene-GF的電場(chǎng)分布。h) 基于GF和MXene-GF的對(duì)稱電池在1 mA cm?2/1 mAh cm?2及貧電解液（0.01 M ZnSO4）條件下的恒電流循環(huán)性能。

圖5.?裝配有MXene-GF隔膜的鋅離子全電池的電化學(xué)性能。a)?裝配有GF/MXene-GF隔膜的鋅離子全電池示意圖。b) 0.1 mV s?1掃描速率下的CV曲線。c) 在不同掃描速率下提供 MXene-GF全電池的CV曲線。d) 擬合b值的線性曲線。e) 基于GF和MXene-GF全電池的倍率性能。f) 5.0 A g?1下全電池1000圈的循環(huán)性能。g) 以MXene-GF作為隔膜的軟包電池在不同彎曲狀態(tài)下的供電照片。

總結(jié)

? ???本文通過(guò)噴涂式印刷的方法構(gòu)造了一種新型MXene-GF Janus隔膜。設(shè)計(jì)的MXene-GF 隔膜賦予了Zn負(fù)極兩個(gè)獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：i) MXene-GF的介電常數(shù)顯著高于本征GF，有助于通過(guò)Maxwell-Wagner效應(yīng)構(gòu)建定向內(nèi)建電場(chǎng)以加速Zn2+遷移; ii) MXene豐富的表面官能團(tuán)有助于降低去溶劑化能，加速了Zn2+擴(kuò)散并抑制了SO42–陰離子通量，從而利于無(wú)枝晶鋅沉積并減輕鋅電極腐蝕程度。就電池性能而言，組裝MXene-GF的對(duì)稱電池在1 mA cm?2/1 mAh cm?2下獲得了1180小時(shí)的循環(huán)壽命。同時(shí)，將MXene-GF應(yīng)用于全電池中，可實(shí)現(xiàn)良好的倍率及循環(huán)性能。此報(bào)道的隔膜工程策略有望為構(gòu)建無(wú)枝晶金屬負(fù)極提供新思路。

文獻(xiàn)鏈接

https://doi.org/10.1002/adfm.202204306

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