山東大學(xué)馮金奎教授團(tuán)隊(duì)ACS NANO：設(shè)計(jì)三維硫摻雜MXene/ZnS的異質(zhì)結(jié)構(gòu)作為鋅負(fù)極的多功能保護(hù)層
發(fā)布時(shí)間：2021-08-31 08:57:19 人氣：1200
文章信息
設(shè)計(jì)三維硫摻雜MXene/ZnS的異質(zhì)結(jié)構(gòu)作為鋅負(fù)極的多功能保護(hù)層第一作者：安永靈通訊作者：馮金奎單位：山東大學(xué)
研究背景
由于鋅負(fù)極具有高理論可逆容量、低氧化還原電位、低成本、資源豐富以及環(huán)境友好等諸多優(yōu)勢，水系鋅金屬電池被廣泛認(rèn)為是有前景的候選電池之一。然而，不均勻的鋅沉積會造成嚴(yán)重的枝晶生長和巨大的體積膨脹，從而導(dǎo)致低庫侖效率和短路。為解決問題，研究人員提出了許多延長鋅負(fù)極使用壽命的方法，如引入界面電場、調(diào)節(jié)配位環(huán)境、誘導(dǎo)均勻鋅沉積等。然而，這些方法較為復(fù)雜，難以規(guī)模化實(shí)現(xiàn)。因此，迫切需要提出一種簡便有效的方法來抑制鋅枝晶的生長。
文章簡介
基于此，山東大學(xué)馮金奎教授團(tuán)隊(duì)在國際知名期刊ACS Nano上發(fā)表題為“Rational Design of Sulfur-Doped ThreeDimensional Ti3C2Tx MXene/ZnS Heterostructure as Multifunctional Protective Layer for Dendrite-Free Zinc-Ion Batteries”的研究文章。通過設(shè)計(jì)電子導(dǎo)電的三維硫摻雜MXene和離子導(dǎo)電的ZnS的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，試圖去解決鋅金屬電池存在的問題。三維硫摻雜MXene可以均勻化電場分布、降低局部電流密度、緩沖體積變化。ZnS可以抑制副反應(yīng)、促進(jìn)鋅離子的均勻分布、加速鋅離子的轉(zhuǎn)移。基于此，獲得了長循環(huán)壽命的鋅負(fù)極。
圖1 不同溫度下合成S/MX@ZnS@Zn的示意圖
圖2 產(chǎn)物S/MX@ZnS@Zn的合成及表征。（a-d）在2M 硫酸鋅電解液中的（a）商業(yè)化鋅箔、（b）S/MX@ZnS@Zn-300、（c）S/MX@ZnS@Zn-350和（d）S/MX@ZnS@Zn-400的接觸角。（e）S@MX@Zn、（f）S/MX@ZnS@Zn-300、（g）S/MX@ZnS@Zn-350和（h）S/MX@ZnS@Zn-400的SEM圖。（i）S@MX@Zn、（j）S/MX@ZnS@Zn-300、（k）S/MX@ZnS@Zn-350和（l）S/MX@ZnS@Zn-400的TEM圖。（m-q）S/MX@ZnS@Zn-350的STEM-EDS元素分布圖。
圖3 產(chǎn)物S/MX@ZnS@Zn的結(jié)構(gòu)表征。（a）XRD圖、（b）XPS圖、（c）Zn 2p圖、（d）S 2p圖、（e）Ti 2p圖和（f）C 1s圖。
圖4 商業(yè)化鋅箔和S/MX@ZnS@Zn負(fù)極的電化學(xué)性能。（a-c）不同電流密度下的循環(huán)性能。不同電流密度下的（d）倍率性能及（e）極化電壓。（f-g）大電流密度下的循環(huán)性能。
圖5 （a-e）商業(yè)化鋅箔和（f-j）S/MX@ZnS@Zn負(fù)極在不同沉鋅量下結(jié)構(gòu)演變SEM圖。（a1−a3，f1−f3）1 h，（b1−b3，g1−g3）2 h，（c1−c3，h1−h3）5 h，（d1−d3，i1−i3）10 h，（e1−e3，j1−j3）20 h
圖6 （a-f）商業(yè)化鋅箔和（g-l）S/MX@ZnS@Zn負(fù)極在不同沉鋅量下結(jié)構(gòu)演變的示意圖。（a，g）0 h，（b，h）1 h，（c，i）2 h，（d，j）5 h，（e，k）10 h，（f，l）20 h
圖7 S/MXene@MnO2正極的合成及表征。MXene、MnO2、S/MXene@MnO2的（a）合成示意圖。（b）Raman圖、（c）XPS圖。S/MXene@MnO2的高倍（e-i）XPS圖、（j-k）SEM圖、（l）光學(xué)照片圖、（m-n）元素分布圖。
圖8 全電池的電化學(xué)性能（正極是S/MXene@MnO2，負(fù)極是商業(yè)化鋅箔或S/MX@ZnS@Zn）。（a）循環(huán)伏安曲線、（b）第50周的充放電曲線。（c）充放電曲線。（d）循環(huán)性能及（e）對應(yīng)的容量保持率。（f）倍率性能及（g）對應(yīng)的容量保持率。（h）長循環(huán)性能。
圖9 全電池的電化學(xué)機(jī)理分析。（a-b）GITT曲線和擴(kuò)散系數(shù)。（c）前五周的EIS曲線。（d）EIS曲線和（e）Z′與ω−1/2的關(guān)系。（f）不同掃速下的循環(huán)伏安曲線。（g-h）峰電流與掃描速度間的關(guān)系。（i）不同掃速下贗電容和擴(kuò)散性電容的比例。
圖10 水系可充鋅電池的示意圖（正極是S/MXene@MnO2，負(fù)極是商業(yè)化鋅箔或S/MX@ZnS@Zn）
本文要點(diǎn)
1 構(gòu)建電子導(dǎo)電和離子導(dǎo)電的多功能保護(hù)層。通過真空蒸餾法，一步得到三維硫摻雜MXene/ZnS的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。硫摻雜和多孔結(jié)構(gòu)的獲得與ZnS的合成同時(shí)進(jìn)行。通過改變反應(yīng)條件，可以調(diào)控產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能。2 三維硫摻雜MXene可以均勻化電場分布、降低局部電流密度、緩沖體積變化。ZnS可以抑制副反應(yīng)、促進(jìn)鋅離子的均勻分布、加速鋅離子的轉(zhuǎn)移。3 構(gòu)筑高倍率的水系鋅離子電池。以合成的自支撐的S/MXene@MnO2作為正極，S/MX@ZnS@Zn作為負(fù)極，獲得了高倍率的全電池。
結(jié)論
構(gòu)建了一種離子導(dǎo)電和電子導(dǎo)電的多功能保護(hù)層，并將其用于水系鋅金屬電池。（1）制備過程中硫的摻雜和硫化鋅的產(chǎn)生同時(shí)進(jìn)行。（2）三維硫摻雜MXene可以均勻化電場分布、降低局部電流密度、緩沖體積變化。（3）ZnS可以抑制副反應(yīng)、促進(jìn)鋅離子的均勻分布、加速鋅離子的轉(zhuǎn)移。（4）在水系的鋅離子電池中，該保護(hù)層可以穩(wěn)定存在，通過抑制副反應(yīng)和均勻鋅的沉積來提高鋅負(fù)極的可逆性。基于上述的設(shè)計(jì)，改鋅負(fù)極可以穩(wěn)定循環(huán)1600 h以上。此外，以自支撐的S/MXene@MnO2作為正極，組裝了高倍率的鋅離子全電池。
文章鏈接
Yongling An, Yuan Tian, Chengkai Liu, Shenglin Xiong, Jinkui Feng*, and Yitai Qian，Rational Design of Sulfur-Doped ThreeDimensional Ti3C2Tx MXene/ZnS Heterostructure as Multifunctional Protective Layer for Dendrite-Free Zinc-Ion Batterieshttps://doi.org/10.1021/acsnano.1c05934
通訊作者介紹
馮金奎 教授，博士生導(dǎo)師，山東省泰山學(xué)者青年專家，山東省杰出青年基金獲得者，山東大學(xué)材料物理化學(xué)研究所副所長。1999-2008本碩博畢業(yè)于武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，2008-2012在新加坡國立大學(xué)和美國賓夕法尼亞州立大學(xué)從事博士后研究工作，2012年至今在山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院工作。主要研究新型二次電池材料，在高能量密度水系和非水系二次電池取得一系列創(chuàng)新性成果。共發(fā)表SCI160余篇，近五年以第1/通訊作者在Adv. Func. Mater、Energy Storage Mater、ACS Nano、Energy Environ. Sci.、Nano Energy等期刊發(fā)表SCI論文80余篇。其中3篇論文分別被Adv. Func. Mater. Chem. Mater 和J. Mater. Chem. A選為封面。綜述文章5篇，英文書籍1章節(jié)。總他引6000余次，授權(quán)專利26余項(xiàng)，主持省部級以上項(xiàng)目8項(xiàng)，產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目3項(xiàng)。擔(dān)任Nature子刊Scientific Reports編委。Applied Science Functional materials letter 客座編輯中國化工學(xué)會化工新材料委員會委員，中國電工技術(shù)學(xué)會電池專業(yè)委員會，美國化學(xué)會、英國皇家學(xué)會、國際電化學(xué)會會員。山東省第一屆新舊動能轉(zhuǎn)換新能源評審組組長、國家自然科學(xué)基金、山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等評審專家。
第一作者介紹
安永靈，山東大學(xué)2019級博士生。研究方向?yàn)楦甙踩透吣芰棵芏入姌O材料的可控制備及性能與機(jī)理研究，以第一作者在國際頂刊Nano Today、Advanced Functional Materials、Nano Energy、Energy Storage Materials、ACS Nano發(fā)表SCI論文20余篇，累計(jì)他引900余次，其中ESI論文3篇。申請專利50余項(xiàng)，授權(quán)21項(xiàng)（yonglingan@126.com）。https://doi.org/10.1021/acsnano.1c02928
https://doi.org/10.1002/adfm.202101886https://doi.org/10.1016/j.nantod.2021.101094https://doi.org/10.1021/acsnano.0c08336https://doi.org/10.1016/j.ensm.2020.07.006https://doi.org/10.1002/adfm.201908721https://doi.org/10.1021/acsnano.9b06653https://doi.org/10.1021/acsnano.8b08740https://doi.org/10.1021/acsnano.8b02219https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.03.036
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