唐卫华教授AFM：利用MXene合理设计了一种锰基柔性自支撑水系锌离子电池正极材料

第一作者：曾珍

通讯作者：唐卫华*

单位：厦门大学

随着科技的进步，柔性储能技术为便携式和可穿戴设备如智能手表、医疗测试设备、药物输送贴片、可折叠手机和电子皮肤等带来了革命。这些设备的未来发展依赖于更小、更便携、更灵活且容量更高的储能设备，其中安全性和效能尤为重要。然而，传统的基于有机电解质和碱金属的电池存在环境和安全隐患。水性锌离子电池（AZIB），以其低成本、高安全性和高容量等优势，成为一种理想的替代方案。尽管如此，其发展仍面临锌枝晶和电池可折叠性等技术挑战。因此开发一种具有柔性的锌离子电池正极材料至关重要。

近日，来厦门大学的唐卫华教授团队在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Freestanding MXene-Scaffolded Film Cathodes Enable High-Performance Flexible Zinc-Ion Batteries”的文章。该文章提出可通过合理的结构设计，制备出了一种无粘结剂的自支撑的MXene（Ti₃C₂T_x）复合锰基柔性正极膜，具有优异的容量性能和机械性能。

本文精心设计了一种基于MXene（Ti₃C₂T_x）柔性基底的锰基MXene复合自支撑膜正极材料。通过选择α相MnO₂并采用纳米技术将其制成纳米纤维，进而对表面进行优化工程，以增强其性能。不同于传统正极材料依赖导电剂炭黑和粘结剂PVDF，本设计采用物理键合的羧基化单壁碳纳米管（SWCNTs）作为导电框架，支撑纳米纤维状α-MnO₂，形成结构稳固、性能卓越的层状复合自支撑膜MnO₂@MXSC，展现了其在柔性储能领域的巨大潜力。

MXene具有高电导率和大表面积的特性，能够提供丰富的锌储存位点，并帮助建立稳固的三维导电网络，作为优异的基底。与α-MnO₂结合后，α-MnO₂显著贡献了整体容量，而MXene有效减缓了活性材料的聚集现象，解决了体积膨胀问题，促进了电子和离子的传输和扩散过程。将柔性自支撑MnO₂@MXSC正极应用在AZIBs中，可以获得368 mAh g^-1的高比容量，同时维持1,000圈的稳定循环性能。以及高达354 W h kg^-1的能量密度（功率密度为963 W kg^-1）和4593 W kg^-1的功率密度（能量密度为275 W h kg^-1）。

为详细了解MnO₂@MXSC的电荷存储机理。对电池进行了多种分析测试。结果表明，MnO₂@MXSC//Zn电池的储能机制为H⁺与Zn²⁺的共嵌机制。同时MXene和SWCNTs不仅提供了导电性与柔性，同时还提供了部分赝电容容量。以法拉第赝电容行为为主的电荷存储机制保证了高倍率下的电池的稳定性与比容量。

储能设备在柔性应用领域的关键挑战之一是对外界物理干扰的抵抗能力，特别是在可能遭受切割或穿刺等机械应力的环境中。MnO₂@MXSC的层状多孔结构赋予其优异的高速率性能，使其成为各种便携式电子设备供电的强劲竞争者。这种正极材料不仅机械性能卓越，能在极端条件下（如遭受切割和弯折）保持有效工作，而且还可以制备成适应多种形状的薄膜电池，展现出卓越的储能效果。

“Freestanding MXene-Scaffolded Film Cathodes Enable High-Performance Flexible Zinc-Ion Batteries”

唐卫华教授课题组一直致力于高性能有机光电材料及其能源转化与存储应用。迄今以第一/通讯作者在Nature等材料和能源领域知名期刊上发表 SCI论文200余篇。