具有均勻孔隙和功能化表面的離子分隔器顯示出解決鋰金屬電池中鋰枝晶問題的巨大潛力。在這項(xiàng)研究中，設(shè)計(jì)并制備了單金屬和氮共摻雜的碳-三明治MXene（M-NC@MXene）納米片，它具有高度有序的納米通道，直徑為10nm。實(shí)驗(yàn)和計(jì)算驗(yàn)證了M-NC@MXene納米片可通過以下幾種方式消除鋰枝晶：（1）通過高度有序的離子通道重新分配鋰離子通量；（2）通過雜原子摻雜選擇性地傳導(dǎo)鋰離子和錨定陰離子以延長(zhǎng)鋰枝晶的成核時(shí)間；（3）在常規(guī)聚丙烯（PP）隔膜上緊密交錯(cuò)以阻擋鋰枝晶的生長(zhǎng)路徑。因此，采用Zn-NC@MXene涂層的PP隔膜，組裝的Li||Li對(duì)稱電池在3 mA cm
-2的高電流密度和3 mAh cm
-2的高面容量下表現(xiàn)出25 mV的超低過電位，以及1500小時(shí)的循環(huán)壽命。此外，值得注意的是，它還將能量密度為305 Wh kg
-1的Li||Ni83軟包電池的壽命提高了5倍。另外，Li||Li、Li||LiFePO
4、Li||S電池的卓越性能揭示了精心設(shè)計(jì)的多功能離子分流器在進(jìn)一步實(shí)際應(yīng)用中的巨大潛力。
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Fig 1. (a) M-NC@MXene 納米片的制備示意圖。 Zn-NC@MXene 納米板的形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征：（b，c）TEM 圖像，（d）Cs 校正的 TEM 圖像，（e）HAADF 圖像和（f-j）相應(yīng)的 EDS 圖案。
Fig 2. (a) 裸 PP 和 (b) Zn-NC@MXene/PP 隔板的 SEM 圖像（頂視圖）。 (c) 裸露的 PP 表面和 Zn-NC@MXene 表面的線性高度掃描曲線。通過不同分隔器在 1 mA cm
-2 下沉積 4 mAh cm
-2 Li 后陽(yáng)極的 SEM 圖像和示意圖：(d-f) 裸 PP、(g-i) MXene/PP 和 (j-l) Zn-NC@MXene/PP。
Fig 3. (a) 用于 CE 計(jì)算的 Li||Cu 半電池中的 Aurbach 方案。 (b) 具有不同分壓器的 Li||Li 對(duì)稱電池的電壓-時(shí)間曲線，在 3 mA cm
-2 和 3 mAh cm
-2 下循環(huán)。 (c) Li||Ni83 軟包電池在 15 mA 電流下的循環(huán)性能。 (d) Li||Ni83 軟包電池照亮發(fā)光二極管陣列的圖像。 (e) Li||Ni83 軟包電池組件示意圖。 (f) Li||S (3.2 mg cm
−2) 電池在不同掃描速率下的 CV 曲線。 (g) Zn-NC@MXene 基、MXene 基和碳基硫陰極 S||S 對(duì)稱電池在 50 mV s
-1 掃描速率下的 CV 曲線。 (h) Li||S（3.2 mg cm
-2）與 Zn-NC@MXene/PP 分隔器在 1 C（1675 mA g
-1）電流密度下的循環(huán)性能。
Fig 4. (a) 在具有 vdW 和不具有 vdW 校正的 M-NC@MXene 結(jié)構(gòu)中不同位點(diǎn)上與 Li 原子的結(jié)合能。 (b) Ti
3C
2O
2 (Ti
3C
2F
2) 表面的模擬遷移路徑和預(yù)期遷移網(wǎng)絡(luò)，以及 (c) 沿模擬路徑的相應(yīng)遷移能量曲線。 (d) 不同活性位點(diǎn)與電解質(zhì)中不同陰離子的結(jié)合能直方圖。 (e) Li
2S、Li
2S
2、Li
2S
4、Li
2S
6、Li
2S
8 和 S
8 在 Ti
3C
2O
2、Ti
3C
2F
2、5NC 和 6NC 表面上的結(jié)合能。 (f) 在孤立狀態(tài)下或在 Ti
3C
2O
2、Ti
3C
2F
2、5NC 和 6NC 表面將 S
8 還原為 Li
2S 期間不同反應(yīng)步驟的相對(duì)自由能。
相關(guān)研究工作由四川大學(xué)Yan Zhao和武漢理工大學(xué)Liqiang Mai課題組于2023年聯(lián)合發(fā)表在《ADVANCED MATERIALS》期刊上，原文：Ultra-Uniform and Functionalized Nano-Ion Divider for Regulating Ion Distribution toward Dendrite-Free Lithium Metal Batteries。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
