迪肯大学类伟巍教授、刘丹教授ESM：基于MXene和聚多巴胺界面调控无枝晶锌沉积用于柔性锌离子电池

第一作者：王智宇

通讯作者：刘丹*，类伟巍*

单位：澳大利亚迪肯大学，澳大利亚新南威尔士大学

可穿戴和便携式电子设备的快速增长需要同时具有良好柔韧性、高能量密度和安全性的储能器件。水性锌离子电池（ZIBs）具有环境友好性、高安全性和低成本等优点，已经成为可穿戴电子系统的出色的储能器件候选者。然而，不稳定的锌负极界面和锌枝晶的形成限制了其在柔性ZIBs中的应用。因此，本文利用高导电性的Ti3C2 MXene包覆的尼龙织物（MXNY）作为三维（3D）锌沉积骨架，利用聚多巴胺（PDA）作为固态电解质界面（SEI），开发了一种高稳定性和柔韧性的锌负极，用于柔性ZIB。

近日，来自迪肯大学的类伟巍与刘丹教授，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Dendrite-Free Zinc Deposition Enabled by MXene/Nylon Scaffold and Polydopamine Solid-Electrolyte Interphase for Flexible Zinc-ion Batteries”的文章。该文章首先分析了锌在高度定向排列的MXene纳米片上的沉积行为。基于此，通过三维MXNY和PDA SEI的协同调控效应，可以进一步提升电极的界面稳定性和抗腐蚀性能。因此，该柔性锌沉积骨架可在10 mA cm^–2电流密度和1 mA h cm^–2容量下，实现99.6%的库仑效率（CE），和在0.5 mA cm^–2电流密度下和0.5 mA h cm^–2的容量下，实现超过3000小时的循环稳定性。其出色的电化学性能和柔韧性，展示出其作为可穿戴和便携式柔性电子储能器件的良好的潜力。

本研究首次利用高度定向排列的MXene（HLMX）电极研究了锌成核过电位，以排除电极表面粗糙度和粘接剂等因素对锌沉积行为的影响。结果显示，HLMX可以降低锌的成核过电位（34.6 mV）。当多巴胺（DA）作为电解质添加剂时，DA可以电化学聚合成PDA并通过配位键和氢键与MXene牢固结合作为SEI，进而可以实现“温和”的锌成核过程和较低的成核过电位（21.2 mV），降低锌成核壁垒。扫描电镜（SEM）可以观察到，锌在HLMX表面可以实现均匀且无枝晶的沉积。通过添加DA作为电解液添加剂，可以实现更紧凑和均匀的锌沉积，表明MXene和PDA SEI的协同作用可以更有效地抑制了锌枝晶的形成。

本研究选择尼龙布作为3D骨架，因为其与带负电荷的MXene纳米片之间有强烈的静电相互作用。SEM图像显示，MXene可以均匀分布在尼龙布表面，并赋予尼龙织物良好的导电性。CE测试显示，在10 mA cm^–2的电流密度和1 mA h cm^–2的容量下，基于PDA SEI的MXNY骨架可实现高达99.6%的循环效率，远高于其在对照电解质中的循环稳定性。进一步的电化学分析表明，具有PDA SEI层的MXNY@Zn显示出比没有PDA SEI的MXNY@Zn更好的耐腐蚀性以及均匀的3D锌离子扩散沉积现象。

原位光学显微镜（OM）可以观察到，在CE测试过程中，MXNY表面会因为析氢反应产生一些气泡。相比之下，当使用DA作为电解质添加剂时，整个CE测试期间都看不到气泡的产生，表明了PDA SEI对锌沉积副反应有效的抑制作用。SEM观察显示，当使用DA作为电解质添加剂时，MXNY骨架表面沉积的锌呈现出更加致密和均匀的沉积形态。电场模拟表明，初始紧凑和致密的锌沉积形貌可以有效促进电场的均匀分布，对后续锌的均匀沉积至关重要。在对称电池测试中，具有PDA SEI的MXNY@Zn在0.5 mA cm^–2的电流密度和0.5 mA h cm^–2的容量下可以实现长达3000小时的循环稳定性。即使在5 mA h cm^–2的高容量下（放电深度为50%）测试，也可以实现超过600小时的循环稳定性。

基于MXNY@Zn具有的高柔韧性、高导电性、以及优秀的循环稳定性和抗腐蚀能力，本研究制备了基于MXNY@Zn的准固态柔性ZIB，并实现了超过800个循环的高循环稳定性。该柔性ZIB器件可在弯曲60°、120°和180°时，分别实现90.2%、86.1%和72.4%的容量保持率，并在恢复原有的状态后，实现原有容量97.8%的容量保持率，这些结果表明了该ZIB器件良好的柔性和结构稳定性。实际应用的展示证明，单个柔性ZIB器件可以点亮液晶显示器（LCD）的数字计时器，并且在不同的机械变形下仍可以正常工作。当两个柔性ZIB串联时，可以用来点亮定制的发光二极管（LED）器件。

“Dendrite-Free Zinc Deposition Enabled by MXene/Nylon Scaffold and Polydopamine Solid-Electrolyte Interphase for Flexible Zinc-ion Batteries”

刘丹教授简介：现任澳大利亚迪肯大学先进材料院（IFM），副教授，博士生导师，2015年澳大利亚优秀青年学者 （ARC DECRA）， 2021年澳大利亚未来学者 (ARC Future Fellow)。主要致力于先进二维纳米材料和功能纳米复合材料以及在可穿戴新能源方面的应用研究。近年来在本领域发表国际SCI论文150余篇，包括Nature Communications，Joule，Adv. Energy Mater，J. Am. Chem. Soc， Adv. Mater， Advance Science，ACS Nano，Angew. Chem. Int. Ed 等。曾获迪肯大学Alfred 研究奖和主持澳大利亚政府工业创新制造基金等多项国际科学荣誉和基金。

类伟巍教授简介：澳大利亚迪肯大学先进材料研究院（IFM）副教授，先进功能材料和等离子体技术研究组组长，博士生导师，2014年澳大利亚优秀青年学者，2022年澳大利亚未来学者。长期从事新型功能二维纳米材料和制备技术的研究工作，在二维功能材料，纳米复合材料，新能源环境材料器件等方面取得了一些列重要成果。迄今已在Joule，Nature Communications，J. Am. Chem. Soc，Angew. Chem. Int. Ed，Adv. Mater，Adv. Energy Mater，ACS Nano， Small，Nano Energy，ACS Energy Letter等本领域具有国际影响力的刊物上发表学术论文200余篇。

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