可充電鎂電池 (RMB) 是很有前途的下一代低成本高能設(shè)備。在所有 RMB 中，使用原位鍍鎂集流體作為負(fù)極的無陽極鎂金屬電池可以提供最佳的能量密度。然而，迄今為止，無陽極鎂金屬電池仍然難以捉摸，因?yàn)閭鹘y(tǒng)陽極集電器上的鎂沉積不均勻，導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用受到低 Mg 電鍍/剝離效率的困擾。在此，首次成功構(gòu)建了無負(fù)極鎂金屬電池，采用 3D MXene（Ti3C2Tx) 具有 Mg 水平外延電沉積的薄膜。MXene 中的嗜鎂氧和活性氟端基可在 Ti3C2Tx薄膜表面上增加局部鎂離子濃度和持久的富含氟化鎂的固體電解質(zhì)界面。同時(shí)，Ti3C2Tx MXene 表現(xiàn)出與 Mg 的高晶格幾何擬合 (≈96%) 以引導(dǎo) Mg 水平外延電沉積。因此，開發(fā)的 Ti3C2Tx薄膜在高電流密度（5.0 mA cm
-2) 和高 Mg 利用率 (50%) 條件。當(dāng)這種 Ti3C2Tx薄膜與預(yù)磁化的 Mo
6S
8陰極耦合時(shí)，無陽極鎂金屬全電池原型的體積能量密度是其標(biāo)準(zhǔn)鎂金屬對(duì)應(yīng)物的五倍。這項(xiàng)工作為陽極集電器的合理設(shè)計(jì)提供了見解，以指導(dǎo)無陽極鎂金屬電池的鎂水平外延電沉積。
Fig 1. 基于 MXene 的無陽極鎂金屬電池的概念。a) 使用 Mg 金屬陽極的標(biāo)準(zhǔn)電池示意圖，b) 使用 MXene 薄膜作為陽極集電器的無陽極電池示意圖。c) Cu 上多孔 Mg 沉積行為的圖示。d) Ti3C2Tx MXene 薄膜上 Mg水平外延 沉積行為的圖示，源于固有的氧和氟表面終端和獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)，允許高 Mg
2+離子吸附能力使界面 Mg
2+通量均勻化，形成富含 MgF
2的耐用 SEI，以及與 Mg 的高晶格匹配。
Fig 2. 親鎂 Ti3C2Tx MXene 薄膜表面的均勻濃度分布。a) 橫截面 SEM 圖像和 b,c) 高分辨率 b) F 1s 和 c) Ti3C2Tx薄膜的 O 1s XPS 光譜。d) Mg 原子在 O- ?、OH- ?和 F- 端基 Ti3C2Tx上的吸附能和微分電荷密度和銅表面。此處，淺藍(lán)色、棕色、紅色、淺粉色、灰色和藍(lán)色球分別代表 Ti、C、O、H、F 和 Cu 元素。黃色和藍(lán)色區(qū)域分別代表電荷積累和損失。等值面水平分別設(shè)置為 0.0059、0.0012、0.0002 和 0.0024 e Bohr
-3。e,f)電流密度為 1.0 mA cm
-2時(shí)，(e) 2D Cu 箔和 (f) 3D Ti3C2Tx薄膜上 Mg
2+離子濃度分布的 COMSOL 模擬。
Fig 3. Ti3C2Tx MXene 薄膜表面的Mg水平外延電沉積。a) 沿 (002) -O、 -OH、-F 終止的 Ti3C2Tx平面的原子排列和 b) 它們的晶格幾何與 Mg 不匹配。此處，淺藍(lán)色、棕色、紅色、淺粉色和灰色球分別代表 Ti、C、O、H 和 F 元素。c,d) Ti3C2Tx薄膜在電鍍(c) 0.5 和(d) 1.0 mAh cm
-2 Mg at 1.0 mA cm
-2后的SEM圖像和相應(yīng)的映射結(jié)果. e) 在 1.0 mA cm-2電鍍 1.0 mAh cm
-2 Mg后銅箔的 SEM 圖像和相應(yīng)的映射結(jié)果。
Fig 4. 在 Ti3C2Tx MXene 薄膜表面形成富含 MgF
2的 SEI 層。a) 高分辨率 F 1s XPS 光譜，b,c) TOF-SIMS 2D 重建的 MgF
- 碎片分布， d) 深度剖面和 e,f)從 Ti3C2T表面檢測到的MgF
-的 3D 重建分布x初始電鍍后的膜 1.0 mA cm
-2的 Mg 1.0 mA cm
-2。g) F-terminated Ti3C2Tx表面分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算在 300 K 存在 Mg 的情況下。這里，綠色、淺藍(lán)色、棕色和灰色的球分別代表 Mg、Ti、C 和 F元素。
相關(guān)研究工作由新加坡科技研究局Seh Zhi Wei和浙江大學(xué)Jun Lu課題組于2023年聯(lián)合發(fā)表在《Advanced Functional Materials》期刊上，原文：MXene-Based Anode-Free Magnesium Metal Battery。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
