沈阳工业大学王鹏飞、沈阳化工大学周明东教授、哈尔滨工程大学朱凯副教授CEJ：高稳定性种植MXene辅助层用于高性能锌阳极沉积调控- 大数跨境

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沈阳工业大学王鹏飞、沈阳化工大学周明东教授、哈尔滨工程大学朱凯副教授CEJ：高稳定性种植MXene辅助层用于高性能锌阳极沉积调控

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2024-08-17

导读：沈阳工业大学王鹏飞、沈阳化工大学周明东教授、哈尔滨工程大学朱凯副教授CEJ文章：高稳定性种植MXene辅助层用于高性能锌阳极沉积调控

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文章信息

高稳定性种植MXene辅助层用于高性能锌阳极沉积调控

第一作者：鲍庆朋，李卓

通讯作者：王鹏飞*，周明东*，朱凯*

单位：沈阳工业大学，沈阳化工大学，哈尔滨工程大学

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研究背景

在水系锌离子电池（AZIBs）中，由于锌箔表面电场分布不均匀，诱发尖端效应，导致的不受控制的枝晶生长是锌金属负极应用的巨大障碍。与很多材料相比，研究和应用更为广泛的二维层状MXene材料被报道具有均匀的电场效应，与其他材料不同的是，MXene具有更好的可加工性。因此，本文报道了一种在锌箔表面植入MXene的方法，即在高速旋转的丝刷机械抛光的同时，逐滴加入MXene溶液，在一定的压力下将MXene锚定在锌箔表面。该制备方法下的MXene层比传统的自组装MXene层具有更高的强度，MXene层因此起到了物理屏障的作用，保护下面的活性锌不受破坏。同时MXene独特的电场效应降低了脱溶剂能垒，改善了Zn²⁺的转移动力学。

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文章简介

近日，来自沈阳工业大学的王鹏飞与沈阳化工大学周明东教授、哈尔滨工程大学朱凯副教授合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Highly stable planted MXene auxiliary layer for high-performance zinc anode deposition regulation”的研究文章。该文章提出了一种利用高速旋转的钢丝刷在锌箔表面种植MXene的方法，形成高稳定性的保护层，并利用其均匀电场作用显著提高水系锌离子电池循环寿命。

图1. 种植MXene制备过程示意图及锌离子沉积效果示意图

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本文要点

要点一：MXene辅助层的高稳定性

在200 mA cm^-2的电流密度下，剥离8分钟后，种植的MXene层开始脱落，10分钟后完全脱落。而传统的自组装MXene层锌箔在剥离仅3分钟后，就开始小块脱落，同样2分钟后MXene层大部分脱落（图2b，c）。这无疑说明注入的锚定MXene层对锌箔的保护能力更强，有利于Zn²⁺的均匀沉积。另外循环前后的XPS光谱同样证明了MXene层的高稳定性。

图 2. a) 剥离过程模拟图。200 mA cm⁻² 电流密度下剥离不同时间的原位光学显微镜。b) 植入 MXene 层，c) MXene 层的简单自安装。d) 60 次循环后的 MX-Zn 和 MX-Zn 的 XPS 光谱。e) MX-Zn关于Ti2p 的 XPS 光谱，f) 60 次循环后MX-Zn关于Ti2p 的 XPS 光谱。

要点二：种植MXene辅助层沉积/剥离的电化学性能

由于MX-Zn更小的成核阻力与快速的三维扩散行为，在0.8 mA cm^-2、0.8 mAh cm^-2条件下，MX-Zn对称电池以较小的电压滞后，表现出1000 h以上的稳定循环寿命。在快速沉积/剥离过程中具有循环超过10000圈性能。与其他保护层报道相比，MX-Zn对称电池处于上游水平。

图 3. 基于 MX-Zn、PZn 和 RZn 电极的对称电池中的镀锌/剥离行为。a) 0.8 mA cm^-2 电流密度、0.8 mAh cm^-2 镀层容量下的循环性能，b) 0.8 mA cm^-2 下的初始成核通过位置。c) 锌离子沉积模拟，d) -150 mV 下的 CA 测试。e) 5 mA cm^-2电流密度、1 mAh cm^-2 镀层容量下的循环性能。f) 锌阳极性能对比图。

要点三：MX-Zn均匀电场效应与反应动力学

MXene层具有超强的电荷分布能力和良好的电子导电性，进一步分散这些凸起的电场，降低了尖端效应，大大降低了电荷的积累，形成更均匀的电场分布，均匀的电场会有效调控锌离子的成核行为，使锌离子均匀成核，降低尖端效应，同时这也增加了锌箔表面锌离子的有序性，使镀锌\剥离行为更加高效，加快了反应动力学，因此MX-Zn获得了更大的电流密度与更小的沉积能垒。

图4. a) MX-Zn、PZn和RZn对称电池的倍率性能。b) MX-Zn、PZn和RZn对称电池的交换电流密度。c) MX-Zn、d) PZn和e) RZn在不同温度下经过10次循环后的EIS测试。f) PZn和RZn的活化能曲线。g) MX-Zn和RZn表面锌离子沉积示意图。h) RZn、i) PZn和j) MX-Zn的电场分布模拟。

要点四：总结与展望

水系锌离子电池在大规模储能中有着良好的应用前景，但严重的枝晶行为阻碍了其发展。本文报道了一种在锌箔表面植入MXene的新方法，该制备方法下的MXene层比传统的自组装MXene层具有更高的强度，同时，植入的MXene层的良好亲水性降低了界面电解质的浓度梯度，使锌离子通量重新分布。MXene独特的电场效应降低了脱溶剂能垒，改善了Zn离子的转移动力学，促进了锌离子在（002）晶面的沉积。另外本文所提出的新方法也为其他保护层提供了新思路，为更多材料用于构筑保护层提供了方案。

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文章链接

Highly stable planted MXene auxiliary layer for high-performance zinc anode deposition regulation.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.154345

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通讯作者简介

王鹏飞，沈阳工业大学环境与化学工程学院讲师，硕士生导师，于哈尔滨工程大学获工学博士学位，师从曹殿学教授。研究领域为锂金属负极保护、锌金属负极保护、水系电池、锂硫电池等。以通讯作者和第一作者在 Chem. Eng. J、 J Colloid Interface Sci、Carbon Energy， Electrochim. Acta，Appl. Surf. Sci.等期刊发表论文三十余篇，并获得多次引用。

周明东教授，沈阳化工大学化学工程学院博士生导师，2010年博士毕业于慕尼黑工业大学分子催化专业。主要从事绿色精细化工和有机化工等方向的研究，近年来开展的“有机精细化工品绿色合成”领域研究工作取得的多项技术成果达到国际领先水平。先后承担国家级、省部级、横向课题30余项，在国际权威期刊上发表高水平SCI论文百余篇，申请国家发明专利30余项、授权专利11件。入选享受国务院政府特殊津贴专家，"兴辽英才计划"科技创新领军人才（辽宁省特聘教授），辽宁省“百千万人才工程”百人层次人选，辽宁省优秀科技工作者，《Journal of Saudi Chemical Society》期刊特邀编委。曾获国家优秀留学生奖、德国优秀博士学位论文(summa cum laude)、Johannes Ortner Award、TUM GS-CH Award、Award of membership、辽宁省青年科技奖、辽宁省自然科学二等奖（排名第一）、辽宁省科技进步三等奖（排名第一）等奖项。

朱凯副教授，哈尔滨工程大学化学工程与技术专业硕士生导师。2016年博士毕业于吉林大学新型电池物理与技术教育部重点实验室，导师陈岗教授以及魏英进教授。2014-2016年于日本国立产业技术研究所(National Institute of Advanced Industrial Science and Technology)进行交流学习，合作导师周豪慎（Haoshen Zhou）教授。现从事锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池、超级电容器的研究，主要是关于新型高性能电极材料、富锂正极材料、石墨烯储能应用等方向。在ACS Nano，Advanced Functional Materials, Nano-Micro Letters, ChemSusChem，Journal of Materials Chemistry A 等国际知名期刊已发表SCI论文100 余篇文章。担任英国皇家化学学会（RSC）期刊Nanoscale Horizons Community Board。

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第一作者简介

鲍庆朋，沈阳工业大学，环境与化学工程学院，硕士研究生。研究方向为水系锌阳极改性。目前1篇SCI论文发表在Electrochimica Acta上，1篇发表在Chemical Engineering Journal上。

李卓，哈尔滨工程大学，材料科学与化学工程学院，博士研究生。主要方向为水系锌离子储能器件研究，多物理场模拟建模分析以及界面短程力理论计算建模研究。在Advance Energy Materials, Advanced Functional Materials、Applied Catalysis B: Environment and Energy、 Chemical Engineering Journal、 Chinese Chemical Letters、 Journal of Energy Chemistry等期刊发表学术论文8篇。