山东大学冯金奎副教授AFM综述:浅谈MXene在电池负极材料中的最新进展


【引言】

能源和环境在世界发展中起着至关重要的作用,随着化石燃料的迅速减少和环境的恶化,能源革命迫在眉睫。锂离子电池(LIBs)作为一种重要的储能设备,经过30多年的发展,已取得了巨大的成功。但是,具有石墨负极的商用LIBs的能量密度已达到上限,无法满足远距离电动汽车的要求。此外,地球上锂资源的不平衡分布和稀缺性限制了LIBs在未来的广泛应用。在过去的几年中,基于沉积/剥离电化学的金属负极(例如金属Li,Na,K,Zn,Mg,Ca,Al和Fe)因其较高的理论比容量,较低的电化学势和较高的电子电导率而受到广泛关注,且金属负极可以与正极配对以构建高能量密度可充电金属电池。然而,在电池循环过程中的固有的问题包括体积变化大,无限的枝晶生长,以及不稳定的固体电解质相间(SEI)阻碍了它们的进一步发展。其中, MXene作为一种新兴的二维材料,由于其二维结构、丰富的表面官能团和构造能力,在解决金属负极固有问题方面显示出巨大的潜力。迄今为止,在MXene的帮助下,研究者提出了各种策略来实现稳定和无枝晶的金属负极,如基于MXene的集流体设计、基于MXene的亲金属基体, 使用MXene修饰金属表面,构建MXene阵列以及使用MXene修饰隔膜或电解质。然而,尚未报道专门针对电池金属负极中MXene的研究进展进行的综述。

近日,山东大学冯金奎副教授(通讯作者)仔细总结和分析了MXene在稳定且无枝晶的金属负极中的应用和进展。还提出了一些未来研究的观点和展望。首先,作者概述了金属负极的研究背景,包括金属负极的种类,电化学行为,优点,存在的问题以及相应的改性策略。然后介绍了MXene的基本信息,例如种类,合成方法,优点和应用。最后讨论了MXene在Li-金属,Na-金属,K-金属和Zn-金属负极中的应用。随着MXene和金属负极的研究逐年增加,相信这篇综述可以为它们的进一步发展提供一些帮助,并吸引更多相关的研究人员去探索。相关研究成果以“Recent Advances of Emerging 2D MXene for Stable and Dendrite-Free Metal Anodes”为题发表在Adv. Funct. Mater.上。

【图文导读】

在过去的几年中,诸如金属Li,Na,K,Zn,Mg,Ca,Al和Fe的金属负极在可充电金属电池中得到了广泛的研究,其可以与正极被配对以形成先进的高能量密度的锂金属,钠金属,钾金属,锌金属,镁金属,钙金属,铝金属和铁金属电池,这一切都源自于其较高的理论比容量,较低的电化学势和优越的电子传导性。

图一、MXene在金属中的应用

(a)展示了MXene在稳定且无枝晶的金属负极中的应用;

(b)有关MXene在金属负极中应用的文章;

(d)显示金属电池中金属负极的电化学行为的示意图。

图二、Ti3C2-Li复合的制备及原理

(a)显示了Ti3C2-Li复合负极的制备过程;

(b)Ti3C2-Li复合负极的SEM图像;

(c)Ti3C2-Li复合负极的横截面SEM图像;

(d)MXene层可以物理抑制Li枝晶的垂直生长;

(e)Ti3C2-Li复合负极中电子和Li+的足够传输路径;

(f)循环后Ti3C2-Li复合负极的SEM图像;

(g)MXene/rGO气凝胶的SEM图像;

(i)MXene/rGO气凝胶中锂沉积/剥离的示意图。

图三、Li-Ti3C2Tx-rGO复合负极的制备及原理

(a)Li-Ti3C2Tx-rGO复合负极的制备过程;

(b)Ti3C2Tx-rGO的光学照片;

(c)3D多孔Ti3C2Tx-rGO的光学照片;

(d,e)Li-Ti3C2Tx-rGO复合负极的照片;

(f)Ti3C2Tx-rGO的SEM图像;

(g)3D多孔Ti3C2Tx-rGO的SEM图像;

(h)Li-Ti3C2Tx-rGO复合负极的SEM图像;

(i)Li-Ti3C2Tx-rGO复合负极循环200h之后的SEM图像;

(j)普通锂箔循环200h之后的SEM图像;

(k)Li-Ti3C2Tx-rGO复合负极Li沉积/剥离的示意图。

图四、MG-Li复合负极和MXene-MF的制备

(a)MG-Li复合负极的制备工艺的原理图;

(b)MGO膜的光学照片;

(c)MG膜的光学照片;

(d)MG-Li复合负极的照片;

(e)MG-Li复合负极的剥离/沉积过程的示意图;

(f)显示多维离子/电子传输通道和Li+通量/电场均匀分布的示意图;

(g)MG-Li复合负极循环不同状态下的横截面SEM图像;

(h)显示了三维MXene-MF的制备工艺和碱金属负极在三维MXene-MF中电化学行为的示意图;

(i)MXene-MF的SEM图像。

图五、柔性复合电极的制备

(a)Li-rGO/Ti3C2Tx复合负极的制备工艺示意图;

(b)GO/Ti3C2Tx膜的横截面SEM图像;

(c)GO/Ti3C2Tx膜的光学照片;

(d)Li-rGO/Ti3C2Tx复合负极的SEM图像;

(e)Li-rGO/Ti3C2Tx复合负极的的光学照片;

(f)Li在MXene@CNF上的沉积/剥离过程的示意图;

(g,h)柔性MXene@CNF薄膜的光学照片;

(k,l)柔性MXene@CNF薄膜的横截面和顶部SEM图像;

(m,n)MXene@CNF/Li中剥离2 mAh cm-2的Li后的顶部和横断面SEM图像。

图六、Zn-MXene的制备工艺及其在Cu箔上沉积

(a)Zn-MXene的制备工艺及其在Cu箔上的Li成核和生长行为的示意图;

(b,c)分别在Zn-MXene层上沉积0.1 µAh cm-2的Li后的STEM图像和相对应元素分布;

(d-f)在Zn-MXene层上分别沉积5、20和60 µAh cm-2的Li后的SEM图像;

(g)Zn-MXene膜的大规模制备;

(h)Cu箔上Zn-MXene膜的横截面SEM图像;

柔性2DSi@MXene电极的制备

(a)柔性2D Si@MXene薄膜的制备工艺的示意图;

(b)2D Si的SEM图像;

(c)柔性2D Si@MXene薄膜的光学照片;

(d,e)柔性2D Si@MXene薄膜的顶部和横截面SEM图像;

(f)Li在柔性2D Si@MXene薄膜上的沉积行为。

图八、MF和MLF复合电极的制备

(a,b)分别显示Li在MF和MLF上的沉积行为的示意图;

(c)MF的光学照片;

(d)MF的SEM照片;

(e)MLF的光学照片;

(f)MLF的SEM图像;

(g,h) 在MLF和MF上分别沉积 0.5 mAh cm-2的Li的SEM图像;

(i,j)分别进行50次沉积/剥离过程后,MF和MLF的SEM图像;

图九、PA-MXene-Li复合电极的制备

(a)PA-MXene-Cu的制备工艺的原理图;

(b)Cu箔和PA-MXene-Cu的光学照片;

(c,d)PA-MXene-Cu的顶部和横断面SEM图像;

(e)MXene膜从PA-MXene-Cu向Li箔表面的转移过程;

(f)Li箔和PA-MXene-Li的光学照片;

(g)PA-MXene-Li的横截面SEM图像;

(h)Li在PA-MXene-Li上的沉积行为的示意图。

图十、ILC-Li电极的制备

(a)显示了ILC-Li使用不锈钢滚筒的制造工艺的示意图;

(b)一张ILC-Li的光学照片;

(c)ILC-Li的横截面SEM图像;

(d)放大的ILC-Li的横截面SEM图像;

(e,f)在Li的沉积和剥离2 mAh cm-2时,ILC-Li电极的SEM图像;

(g,h)在Li的沉积和剥离3 mAh cm-2时,ILC-Li电极的SEM图像;

图十一、激光处理MXene薄膜的制备

(a,b)使用挤压式3D打印技术显示MXene阵列制造工艺的示意图。

(c)MXene阵列的SEM图像;

(d)Li在MXene阵列上的成核和生长的示意图;

(e)Li在MXene阵列上的成核和生长;

(f,g)在MXene阵列上沉积5 mAh cm-2Li后的SEM图像;

(h,i)在MXene阵列上沉积20 mAh cm-2Li后的SEM图像;

(j)激光处理MXene薄膜的制造工艺的示意图;

(k)激光处理的MXene薄膜的SEM图像。

图十二、Li在MXene-Li复合电极上的沉积行为

(a)垂直MXene-Li阵列的制备过程的示意图;

(b)垂直MXene-Li阵列的SEM图像;

(c-e)SEM图像显示了Li在垂直MXene-Li阵列上的沉积/剥离行为;

(f)在垂直MXene-Li阵列上沉积1 mAh cm-2Li后的SEM图像;

(g)在沉积过程中,COMSOL多物理场模拟了垂直MXene-Li阵列中Li的浓度分布。

图十三、隔膜改性抑制枝晶生长

(a)N-Ti3C2/C@PP隔膜的制备工艺;

(b)N-Ti3C2/C@PP隔膜的光学照片;

(c)N-Ti3C2/C@PP隔膜的横截面SEM图像;

(d)使用N-Ti3C2/C@PP隔膜的Li|Cu电池中沉积1 mAh cm-2后的SEM图像;

(e)使用PP隔膜的Li|Cu电池中沉积1 mAh cm-2后的SEM图像;

(f)使用N-Ti3C2/C@PP和PP隔膜研究了Li|Cu电池在Cu箔上的沉积行为;

(g)使用T@CP改性隔膜在Li-S电池中的Li沉积行为示意图;

(h)使用T@CP改性隔膜在Li-S电池中循环100次后Li负极的SEM图像。

图十四、MCPEs的制备工艺

(a)MCPEs的制备工艺的原理图;

(b-e)不同MXene与PEO质量比的MCPEs;

(f)MCPE横截面TEM图像(MXene与PEO的质量比为0.02);

(g)MCPE的横截面SEM图像(MXene与PEO的质量比为0.05)。

图十五、CT-Sn(II)@Ti3C2制备工艺的示意图

(a)CT-Sn(II)@Ti3C2的制备工艺的示意图;

(b)Ti3C2的SEM图像;

(c)CT-Sn(II)@Ti3C2的SEM图像;

(d)CT-Sn(II)@Ti3C2的高倍率TEM图像;

(e)CT-Sn(II)@Ti3C2的STEM图像及相应的元素映射;

(f)Na在CT-Sn(II)@Ti3C2集流体中的成核和沉积行为;

(g-j)分别在CT-Sn(II)@Ti3C2集流体上沉积0、0.5、1和5 mAh cm-2的SEM图像;

(k)h-Ti3C2/CNTs集流体的制备工艺的示意图。

图十六、K@DN-MXene/CNT复合的制备

(a)K@DN-MXene/CNT复合负极的制备工艺的示意图;

(b)DN-MXene/CNT集流体的SEM图像;

(c)在DN-MXene/CNT集流体上沉积5 mAh cm-2K后的SEM图像;

(d)K@DN-MXene/CNT复合负极的SEM图像;

(e)K在CNT和DN-MXene/CNT集流体上的沉积/剥离行为的示意图。

图十七、Ti3C2TxMXene@Zn复合负极的制备

(a)柔性自支撑Ti3C2TxMXene@Zn复合负极的制造工艺;

(b,c)MXene@Zn薄膜的横截面SEM图像和相应的Zn元素映射;

(d)循环后MXene@Zn薄膜的SEM图像;

(e)循环后锌负极的SEM图像;

(f)MXene@Zn薄膜复合负极的电化学行为的示意图。

图十八、MXene在金属负极中的未来方向

【小结】

总之,作者总结了二维MXene用于稳定且无枝晶的金属负极的最新进展,还提出了一些观点和展望。研究表明,MXene在金属负极中的应用逐年增加,MXene作为一种新兴的多功能2D材料可以很好地解决金属负极的固有的锂枝晶问题,但MXene在金属负极中的研究和应用还处于起步阶段,将来应该做更多和更深入的研究。最近,新兴的2D MXene和金属负极已成为研究热点,随着二维MXene和金属负极的飞速发展,可以肯定的是,未来将有越来越多的MXene用于金属负极的改性工作。因此,这篇综述可以吸引相关研究人员,并为将来的研究提供一些指导。

文献链接:“Recent Advances of Emerging 2D MXene for Stable and Dendrite-Free Metal Anodes”(Adv. Funct. Mater.2020,10.1002/adfm.202004613)

本文由材料人CYM编译供稿。

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