A*STAR Seh Zhi Wei &浙大陆俊 Adv. Funct. Mater.: 基于MXene的无负极金属镁电池

邃瞳科学云

2023-06-03

导读：本文采用MXene薄膜作为负极集流体，首次成功构建了无负极镁金属电池。

第一作者：李元建，冯翔

通讯作者：Seh Zhi Wei，陆俊

通讯单位：新加坡科技研究局（A*STAR），浙江大学

DOI：10.1002/adfm.202303067

研究背景

镁金属作为地壳中含量最丰富的金属元素之一，具有低成本、高比容量以及高安全性的优势，可充电镁金属电池被认为是最有前途的下一代电池候选者之一。然而，文献中报道的镁金属电池通常使用过量的镁箔，这极大降低了电池的能量密度。因此开发使用零过剩镁的无负极镁金属电池对于提高电池的能量密度非常有必要。在这种配置中，电池的负极侧只有一个裸露的集流体，在第一次充电过程中直接从正极电镀镁。然而，镁在常规负极集流体（如铜箔）上不均匀的沉积以及在传统电解液中生成的钝化层，使得有限的活性金属镁在沉积/剥离过程中快速被消耗，严重限制了无负极镁金属电池的实际应用。

内容简介

近日，新加坡科技研究局Seh Zhi Wei高级科学家和浙江大学陆俊教授采用MXene薄膜作为负极集流体，首次成功构建了无负极镁金属电池。理论模拟和实验结果表明，Ti₃C₂T_x MXene表面丰富的官能团以及独特的晶体结构能够引导金属镁的水平外延沉积，并促进富含氟化镁的固态电解质层生成，从而实现了高度可逆的镁电镀/剥离行为。基于MXene的无负极金属镁电池可以稳定循环，并表现出五倍于常规镁金属电池的能量密度。相关研究成果以“MXene-Based Anode-Free Magnesium Metal Battery ”为题发表在材料类国际顶级期刊Advanced Functional Materials上。李元建和冯翔为本文第一作者。此项工作的开展还得到了贵州大学付林老师，北京航空航天大学张千帆教授，上海科技大学刘巍教授，和Indiana University-Purdue University大学Anasori Babak教授的帮助。

基于Ti₃C₂T_x MXene的无负极镁金属电池的设计概念

本文要点

要点1：Ti₃C₂T_x MXene表面有丰富的-O和-F官能团，这些官能团具有很强的亲镁性，从而可以均匀化MXene电极表面的镁离子分布。

Figure 1. Uniform concentration distribution on the surface of magnesiophilic Ti₃C₂T_x MXene film.

要点2：Ti₃C₂T_x MXene 与镁（002）具有超高的晶格匹配度，从而实现金属镁的水平外延沉积。

Figure 2. Horizontal Mg electrodeposition on the surface of Ti₃C₂T_x MXene film.

要点3：Ti₃C₂T_x MXene表面可以生成富含MgF₂的固态电解质界面。

Figure 3. The formation of MgF₂-rich SEI layers on the surface of Ti₃C₂T_x MXene film.

要点4：Ti₃C₂T_x MXene在实际工况下也能够实现高度可逆的镁沉积/溶解。

Figure 4. Cycling stability of Mg plating/stripping of Ti₃C₂T_x MXene film.

要点5 基于Ti₃C₂T_xMXene的无负极镁金属全电池具有优异的循环性能以及超高的体积能量密度。

Figure 5. Electrochemical performance of Ti₃C₂T_x MXene-based anode-free full batteries.

文章链接

MXene-Based Anode-Free Magnesium Metal Battery

https://doi.org/10.1002/adfm.202303067

通讯作者介绍

Seh Zhi Wei，新加坡A*STAR材料研究与工程研究所的高级科学家，入选《麻省理工学院科技评论》“TR35 全球科技创新领军人物”（Innovators Under 35）亚太区榜单，科睿唯安（Clarivate Analytics）材料/化学领域高被引科学家。研究领域是设计用于储能和转换的新材料，包括先进的电池和电催化剂。研究成果包括设计了锂硫电池中的第一个蛋黄壳结构，MXenes作为析氢和二氧化碳还原电催化剂的第一个实验演示。发表论文100余篇，包括Science (1)、Nature Catalysis (1)、Nature Synthesis (1)、Nature Reviews Materials (2)、Nature Machine Intelligence (1)、Nature Communications (2)、Science Advances (1)等。据google scholar, 所发论文引用超过28000次，H因子为59。课题组网站https://www.zwseh.com。

陆俊，浙江大学求是讲席教授、衢州动力电池和储能研究院院长。长期从事电极材料设计、先进表征技术、下一代电池技术等领域的科研和工业实践工作，发表论文500余篇，其中Science 1篇，Nature 5篇，Nature Energy、Nature Nanotechnology、Nature Review Materials、Nature Sustainability、Nature Communications等60余篇。所研发的高镍正极材料已实现技术成果转让，此技术荣获2019年R&D 100 Award。累计获得授权PCT专利20余件，产品已广泛应用于动力电池及储能等领域。获电化学能源储存与转换领域内20多项重要国际奖励，包括美国电化学会电池分会技术奖（2022）、美国化学会能源与燃料部（ENFL）电化学储能杰出研究员奖（2022）、国际电池材料协会（IBA）杰出研究奖（2022）等，担任多种重要学术兼职，包括任国际期刊ACS Applied Materials & Interfaces副主编等。课题组网站http://www.lubattery.cn。