南开大学牛志强教授Angew. Chem. Int. Ed.：原位自发还原/组装MXene助力无枝晶水系锌离子电池

【引言】

众所周知，水系锌离子电池（ZIBs）由于其独特的优点而受到人们的广泛关注。金属Zn是最常见的负极，成本低且可以大规模生产，但其固有的表面粗糙性将导致尖端附近局部电场的急剧增强。在充电过程中，Zn²⁺更倾向于随着电场的增强而不断沉积在尖端，逐渐演化为Zn枝晶。此外，在Zn剥离过程中，Zn枝晶容易从根部断裂，转化为“死锌”，导致库仑效率差（CE），容量衰减严重。 因此，研究者希望开发保护Zn负极的策略以抑制枝晶的生长。最近，已经开发了各种抑制Zn枝晶生长的策略，但诸如在Zn负极原位形成人工层以实现高度均匀的保护层还研究较少。

近日，南开大学牛志强教授（通讯作者）开发了一种原位自发还原/组装策略，在Zn负极表面组装超薄均匀的MXene层。通过原位电镜观察观察和模拟电场分析，与纯Zn相比，MXene层通过良好的电荷再分布效应，使Zn负极具有较低的Zn成核势垒和更均匀分布的电场。同时，MXene层与电解质之间的润湿性比未修饰的Zn更强，有助于电解质的渗透。因此，MXene修饰的锌负极表现出明显的低过电位和良好的无枝晶循环稳定性，从而保证了锌离子电池的高容量保持率和低电位。相关研究成果以“ Direct Self-Assembly of MXene on Zn Anodes for Dendrite-Free Aqueous Zinc-Ion Batteries”为题发表在Angew. Chem. Int. Ed.上。

【图文导读】

图一、无枝晶Zn负极构造原理图（a）在Zn箔表面同步和还原组装MXene层示意图；

（b，c）在MXene层修饰Zn和纯Zn箔沉积锌过程示意图。

图二、材料表征 （a，b）顶部SEM图像以及MXene层修饰Zn的相应元素图谱；

（c）纯Zn箔和MXene层修饰Zn的光学照片；

（d）电解液在纯Zn箔和MXene层修饰Zn上的接触角的对比；

（e）Ti₃C₂T_x薄膜和Ti₃C₂T_x-y膜的XPS图谱；

（f，g）Ti₃C₂T_x薄膜和Ti₃C₂T_x-y膜的高分辨C 1s的XPS图谱。

图三、对称电池的电化学性能对比（a）在电流密度0.2 mA cm^-2的条件下的长循环性能对比；

（b，c）在电流密度为0.5至5 mA cm^-2的条件下的倍率性能及其对应的过电位；

（d）在0.1 mV s^-1的扫数下的的Zn沉积/剥离的CV曲线；

（e）循环100次前后对称电池的阻抗对比；

（f）本文的MZn-60负极与已报道的具有不同涂层的负极的过电位比较。

图四、原位观察及模拟电场分布（a，b）在原位条件下，观察到的以5 mA cm^-2的电流在MZn-60和纯Zn箔上沉积的图像；

（c-f）MZn-60和纯锌在循环前和循环100次之后的SEM图像对比；

（g，h）MZn-60和纯Zn的模拟电场分布；

图五、全电池性能（a-e）分别由纯Zn和MZn-60组成的Zn/MnO₂全电池的电化学性能对比；（a）CV曲线，（b）充电/放电曲线，（c）倍率性能，（d）循环前的Nyquist图以及（e）以1 A g^-1电流循环500次的长循环性能。

【小结】

综上所述，作者通过开发一种简单的原位自发还原/组装策略，在Zn负极表面组装了均匀的MXene层，从而无Zn枝晶均匀沉积过程。其中，MXene层赋予Zn负极不同的优点，包括低成核能垒和均匀分布的电场。因此，MZn负极变现出长循环稳定性、较低的过电位以及光滑的无枝晶表面，具有作为ZIBs稳定负极的潜力。同时组装了MZn-60/MnO₂电池，在500次循环后仍具有良好的循环稳定性和81%的容量保持率。毫无疑问，这种MXene修饰的Zn负极具有优异的电化学性能和无枝晶沉积行为，为高度稳定的Zn基电池系统提供了新的见解。

文献链接：“Direct Self-Assembly of MXene on Zn Anodes for Dendrite-Free Aqueous Zinc-Ion Batteries”(Angew. Chem. Int. Ed.，2020，10.1002/anie.202012322)

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