ACS NANO:MXene (Ti3C2Clx)層上的單鋅原子對無枝晶鋰金屬陽極的固定
一、文章概述.
鋰金屬以其高的理論重量容量(3860 mAh g -1)和低電位(-3.04 V vs標準氫電極(SHE))被認為是最有前景的鋰基電池陽極之一。不幸的是,在重復鍍剝過程中,鋰陽極普遍存在不可控的枝晶,導致鋰電池循環壽命短,甚至短路。在這里,單鋅原子固定在MXene (Ti3C2Clx)層(Zn-MXene)有效地誘導Li成核和生長。在初始鍍階段,由于Zn原子的大量存在,鋰在Zn- mxene層表面趨于均勻成核,然后由于邊緣處強烈的避雷針效應,沿成核位置垂直生長,形成碗狀鋰,但沒有鋰枝晶。因此,采用Zn-MXene薄膜作為鋰陽極,其過電位為11.3 mV,循環壽命長(1200小時),深度剝鍍可達40 mAh cm-2。
二、圖文導讀
圖 1. a) 固定在 MXene 層 (ZnMXene) 上用于鋰成核和生長的單個鋅原子的合成過程。b) Zn-MXene 納米片的典型 TEM 圖像,顯示出透明特征。c, d) HAADF-STEM圖像,顯示了高密度的亮點(鋅原子)在MXene納米片。e)氮標記后Zn-MXene-Li層在0.1 μAh cm-2電鍍水平下的STEM圖像。相關元素f) Ti和g) N (Li)的分布,表明Li在ZnMXene層上呈均勻形核。

圖 3. a) Zn-MXene-Li 陽極在不同電流密度 (1 -16 mA cm -2) 下的倍率能力。b) 不同容量的 Zn-MXene-Li 負極在 5 -40 mAh cm -2(1 mA cm-2) 范圍內的深度剝離和電鍍行為。c) 5 d、10、e)20和f)40mAhcm-2下的Zn-MXene-Li陽極的掃描電鏡圖像。
圖4. a) Zn-MXene-Li/LFP 電池在不同倍率 (0.5- 5.0 C) 下的選定放電-充電曲線。b) Zn-MXene-Li//LFP、MXene-Li//LFP 以及 Cu-Li//LFP 電池的倍率能力,即使在 10 C 下也表現出良好的倍率能力。c) Zn-MXene-Li 的循環性能 //LFP、MXene-Li//LFP 以及 2 C 下的 Cu-Li//LFP 電池。d) Zn-MXeneLi//LFP 電池在 10 C 下的長循環性能。(C=170 mA g -1 )
三、全文總結
總之,我們證明金屬鋰最初傾向于在單個鋅原子固定的MXene層上成核和生長。隨后,由于平面上活性鋅位的作用和邊緣處強烈的避雷針效應,鋰沿成核位點垂直生長,提供碗狀鋰。因此,該陽極具有過電位低、循環壽命長和良好的深剝鍍性能。通過利用Zn-MXene-Li獨特的電化學行為,在10℃下,完整的電池顯示出良好的循環壽命高達500次。此外,基于成熟的軋制和噴涂技術,Zn-MXene薄膜及其混合鋰陽極可以很容易地放大,這將大大有利于未來鋰電池的發展。



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