鋰金屬電池 (LMB) 和無(wú)陽(yáng)極 LMB (AFLMB) 為滿(mǎn)足電池理論能量密度顯著優(yōu)越的需求提供了一種解決方案。 然而，它們的采用受到庫(kù)侖效率（CE）低和容量快速衰減的阻礙，這主要是由于不均勻的鋰鍍層導(dǎo)致不穩(wěn)定的固體電解質(zhì)中間相（SEI）層的形成和鋰枝晶的生長(zhǎng)。 在這里，我們報(bào)告了在銅集流體上使用化學(xué)計(jì)量的 Ti3C2Tx (S-Ti3C2Tx) MXene 涂層來(lái)增強(qiáng)無(wú)陽(yáng)極鋰金屬電池的循環(huán)穩(wěn)定性。 S-Ti3C2TX涂層提供了豐富的成核位點(diǎn)，從而降低了鋰成核的過(guò)電勢(shì)，并促進(jìn)均勻的鋰電鍍。 此外，S-Ti3C2TX 的氟 (−F) 末端參與 SEI 的形成，產(chǎn)生富含 LiF 的 SEI 層，這對(duì)于穩(wěn)定 SEI 和提高循環(huán)壽命至關(guān)重要。 配備S-Ti3C2Tx@Cu集電器的電池在穩(wěn)定的SEI形成過(guò)程中顯示出鋰消耗減少，從而導(dǎo)致容量損失顯著減少。 具有S-Ti3C2Tx@Cu集流體的AFLMB實(shí)現(xiàn)了4.2mAhcm−2的高初始容量密度，50次循環(huán)后的容量保持率為70.9%，100次循環(huán)后的平均CE為98.19%。 MXene 在能源領(lǐng)域的這種創(chuàng)新應(yīng)用為增強(qiáng) AFLMB 的性能提供了一種有前景的策略，并有可能加速其商業(yè)應(yīng)用。
圖1. 無(wú)陽(yáng)極鋰金屬電池中(改性)Cu集流器上的鋰成核示意圖。a)在Cu集流器上鍍Li，說(shuō)明了Li成核不穩(wěn)定和枝晶生長(zhǎng)不受控制的問(wèn)題。b) S-Ti3C2Tx@Cu集流器上鍍鋰，由于富liff固體電解質(zhì)界面相的形成，鍍層均勻，未形成不規(guī)范的鋰枝晶。
圖2. S-Ti3C2Tx 和 S-Ti3C2Tx@Cu 的表征。A) S-Ti3AlC2 MAX 前驅(qū)體和 S-Ti3C2Tx MXene 的 XRD 圖譜。B) Ti _ 2p 和 c) F _ 1s 高分辨 X 射線(xiàn)光電子能譜(S-Ti3C2Tx)。D)真空過(guò)濾 S-Ti3C2Tx 薄膜的斷面掃描電鏡圖像。E) S-Ti3C2Tx@Cu 的 FIB 橫截面圖像。F) S-Ti3C2Tx@Cu 的橫截面透射電鏡圖像。
圖3. Cu和S-Ti3C2Tx@Cu集熱器上Li沉積形態(tài)的SEM圖像。a) Cu和d) S-Ti3C2Tx@Cu鍍鋰前的集流器。b) Cu和e) 0.2 mAh cm−2 Li電鍍后的S-Ti3C2Tx@Cu集流器。c) Cu和f) S-Ti3C2Tx@Cu經(jīng)4mah cm−2 Li電鍍后的集流器。在0.5 mA cm−2的恒定電流密度下進(jìn)行鋰金屬電鍍。電解液組成為1 μ m LiFSI + 1 μ m LiNO3 in DME。
圖4. 在 Cu/Li 和 S-Ti3C2Tx@Cu/Li 不對(duì)稱(chēng)電池中，在 0.5mAcm−2 條件下鍍 4 mAh cm−2 鋰后，通過(guò) XPS 測(cè)量獲得 SEI 信息。 不同濺射時(shí)間下 a) Cu 集流體和 d) S-Ti3C2Tx@Cu 集流體上鋰金屬表面 SEI 的量化原子組成比。 不同濺射時(shí)間下 b) Cu 集流體和 e) S-Ti3C2Tx@Cu 集流體上鋰金屬表面的 F 1s XPS 深度剖面。 c) Cu集流體和f) S-Ti3C2Tx@Cu集流體在不同濺射時(shí)間下的O 1s XPS深度剖面圖。
圖5. Cu/Li和S-Ti3C2Tx@Cu/Li不對(duì)稱(chēng)電池的電化學(xué)表征。a)電流密度為50 μA cm−2的恒流鍍鋰金屬型材。b)在0.5 mA cm−2電流密度下，第一個(gè)循環(huán)中鋰沉積/剝離的電壓分布圖。c) 0.5 mA cm−2電流密度下鋰沉積/剝離的庫(kù)侖效率。d)電流密度為0.5 mA cm−2時(shí)的電壓隨時(shí)間曲線(xiàn)。e)電池在(d)中循環(huán)后的電化學(xué)阻抗譜，頻率范圍為0.01 ~ 500000 Hz，正弦電位信號(hào)為50 mV。
圖6. 含Cu和S-Ti3C2Tx@Cu集流器的無(wú)陽(yáng)極硬幣電池在實(shí)際條件下的電化學(xué)性能。a)無(wú)陽(yáng)極NCM811全電池循環(huán)性能圖。b)無(wú)陽(yáng)極NCM811全電池第一次循環(huán)的電壓分布圖。c)無(wú)陽(yáng)極NCM811全電池第20次循環(huán)的電壓分布圖。d)本工程與以往工程50次循環(huán)后保證穩(wěn)定運(yùn)行的初始面積容量和容量保持率的比較。無(wú)陽(yáng)極電池在0.84 mA cm−2的固定電流密度下工作，相當(dāng)于0.2 C的速率。
相關(guān)科研成果由韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院Il-Kwon Oh，Yury Gogotsi等人于2024年發(fā)表在Energy & Environmental Materials（https://doi.org/10.1002/eem2.12686）上。原文：Stoichiometric Ti3C2Tx Coating for Inhibiting Dendrite Growth in Anode-Free Lithium Metal Batteries
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/eem2.12686
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
