水基鋅離子電池(AZIBs)的實際應用受到枝晶生長和副反應的阻礙。本文設計了一種界面梯度異質結構保護層(MXene/ZnSe) ，包括導電 MXene 納米片和半導體 ZnSe 納米顆粒，用于重構鋅陽極表面。理論計算和實驗表明，界面梯度可以重新排列能帶，促進電子/離子轉移。該保護層不僅緩解了鋅陽極的腐蝕，而且誘導了均勻的鋅沉積。因此，精細的梯度異質結構使得 MXene/ZnSe@Zn 對稱細胞在20mA cm-2下具有超過7700個循環(huán)的優(yōu)異長壽命，超過了文獻中報道的大多數(shù)基于 MXene 的相關材料。當與商用 V2O5配對時，MXene/ZnSe@Zn//V2O5電池在5A/g 時達到230mAh/g 的特殊容量。這項工作為設計具有強界面效應的多功能梯度異質結構提供了一種新的有力的策略。
圖1. A) SEM、b) TEM、c) HRTEM、d) SAED和 e) MXene/ZnSe 的元素圖。f)樣品的XRD 圖譜。g) Ti 2p、h) Zn 2p 和 i) O 1 s 的高分辨率 XPS 光譜。
圖2. a) ZnSe 和 b) MXene/ZnSe 的 DOS。c) MXene/ZnSe 的不同電荷密度的側視圖。d）金屬MXene和半導體ZnSe接觸前后的能帶圖，其中E vac、E F、E c、E v和Φ分別代表真空能、費米能級、導帶、價帶和功函數(shù)。e）電解質與不同陽極之間的接觸角圖像。f) SEM 和 g) MXene/ZnSe@Zn 的元素分布圖。h)不同陽極的Zn 2+遷移數(shù)。
圖3. a）不同對稱電池的循環(huán)性能。b) 放大圖顯示了詳細的電壓曲線。c) 額定性能和 d) 不同電流密度下相應的電壓遲滯。e) MXene/ZnSe@Zn對稱電池在20 mA cm -2下的循環(huán)性能。f) 與之前報道的基于 MXene 的對稱電池的循環(huán)壽命比較。gh) 具有85%高 DOD Zn的不同對稱電池的電鍍/剝離曲線。
圖4. A) Zn 沉積過程的 ce。b) MXene@ZnSe@Cu 的電壓曲線。c）循環(huán)后各種電極的XRD圖譜。d) 計算出的 Zn 原子在裸 Zn (0 0 2)、ZnSe (1 1 1) 和 MXene (0 0 2) 基板上的結合能的總結。e)純鋅和 MXene/ZnSe@Zn 電極上鍍鋅的原位光學顯微鏡可視化。f) 純 Zn 和 g) MXene/ZnSe@Zn 電極經(jīng)過 50 次循環(huán)后的俯視 SEM 圖像。h) 純 Zn 和 i) MXene/ZnSe@Zn 的電場分布模型。
圖5. a) Zn 和 b, c) MXene/ZnSe@Zn 上的鍍鋅行為示意圖。
圖6. a) 0.1 mV s -1下的 cv 曲線和 b) 全電池的倍率性能。c) MXene/ZnSe@Zn||V 2 O 5電池的GCD曲線??。d) 長期循環(huán)性能和 e) 5 A/g 下的 GCD 曲線。f) AZIBs軟包電池的配置示意圖。g) MXene/ZnSe@Zn||V 2 O 5軟包電池的循環(huán)性能。插圖顯示了由我們的 AZIB 軟包電池供電的 LED。
相關科研成果由南京大學Xiangkang Meng等人于2024年發(fā)表在Chemical Engineering Journal（https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.148917）上。原文：Achieving high-rate and long-life Zn metal anodes via constructing interfacial gradient heterostructure
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.148917
轉自《石墨烯研究》公眾號
