山东大学冯金奎教授团队：用于水系锌金属电池的轻质、自支撑、亲锌MXene@多孔氧化物修饰的隔膜

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山东大学冯金奎教授团队：用于水系锌金属电池的轻质、自支撑、亲锌MXene@多孔氧化物修饰的隔膜

邃瞳科学云

2022-04-03

导读：本文通过设计自支撑的、柔性的、亲锌的MXene@多孔氧化物修饰的隔膜来稳定金属锌负极。

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第一作者：安永灵

通讯作者：冯金奎教授

通讯单位：山东大学

论文DOI：10.1021/acsnano.2c01571

全文速览

本文设计了一种自支撑的、柔性的、亲锌的MXene@多孔氧化物修饰的隔膜用于稳定金属锌负极。通过一步真空蒸馏法所制备的多孔氧化物具有大的比表面积、高的孔隙率及均匀的孔结构。MXene@多孔氧化物修饰层可以均匀电场分布、促进离子扩散、降低局部电流密度，因此修饰的隔膜可以诱导均匀的锌沉积。

背景介绍

水系可充的二次电池具有高的安全性、低的成本、绿色无污染等优点，因此被认为是最有潜力的储能装置之一。金属锌具有高的理论比容量、低的氧化还原电位、优异的电化学稳定性、丰富的储量的优势，使得锌金属电池备受关注。然而，循环过程中锌枝晶的形成和生长会导致差的库伦效率，甚至刺穿隔膜，最终造成电池短路。

本文亮点

1. 构建了轻质的、亲锌的隔膜。通过MXene@多孔氧化物的异质结构来修饰隔膜，使其能够均匀电场分布、促进离子扩散、降低局部电流密度，因此可以诱导均匀的锌沉积，获得长寿命的锌负极。

2. 通过一步真空蒸馏法所制备的多孔氧化物具有大的比表面积、高的孔隙率及均匀的孔结构，该方法也可以用来合成其他的多孔材料。

3. 构筑高倍率的水系锌离子电池。以合成的自支撑的NS/MXene@MnO₂作为正极，获得了高倍率的全电池。

4. 修饰的隔膜也可以用于其他金属电池体系，如锂、钠、钾、镁、钙等金属电池。

图文解析

图1 通过真空蒸馏法合成纳米多孔氧化物的示意图。

图2 纳米多孔氧化镍（a，d）、氧化钴（b，e）、氧化铜（c，f）、氧化镁（g，j）、三氧化二铟（h，k）、二氧化钛（f，l）的透射电镜图及高倍透射电镜图。

图3 纳米多孔氧化镍（a，g）、氧化钴（b，h）、氧化铜（c，i）、氧化镁（d，j）、三氧化二铟（e，k）、二氧化钛（f，l）的X射线衍射图和比表面积图。

图4 MXene@多孔氧化镍修饰隔膜的合成示意图。

图5 MXene@多孔氧化镍修饰隔膜的相关表征。未修饰和修饰隔膜的（a）X射线衍射图，（b）红外光谱图和（c）X射线光电子能谱图。（i，j）未修饰和（k，l）修饰隔膜的扫描电镜图。修饰隔膜的（m）扫描电镜元素分布图、（n-q）透射电镜分布图及（r）透射电镜元素分布图。

图6 采用未修饰和MXene@多孔氧化镍修饰的隔膜时，金属锌在不锈钢集流体上沉积行为演变的（a，b）示意图及（c-j）扫描电镜图。

图7 （a-f）采用未修饰和MXene@多孔氧化镍修饰的隔膜组装的Zn||Ti电池的库伦效率图。（g）采用未修饰和MXene@多孔氧化镍修饰的隔膜组装的Zn||Zn电池的循环性能图。采用MXene@多孔氧化镍修饰的隔膜组装的Zn||Zn电池的（h）倍率性能图及（i）大电流密度下的循环性能图。

图8 (a)正极材料NS/MXene@MnO₂的合成示意图、(b)MXene、MnO₂和NS/MXene@MnO₂的XRD、(c) Raman和(d) XPS光谱。(e) NS/MXene@MnO₂的Ti 2p、(f) Mn 2p、(g) O 1s、(h) N 1s、(i) S 2p、(j-m) SEM和(n, o) EDS mapping图谱。

图9采用NS/MXene@MnO₂正极材料及未修饰和修饰的隔膜组装的全电池的电化学性能图。（a）循环伏安曲线、（b）充放电曲线、（c）第50周的充放电曲线、（d，e）循环性能图、（f）倍率性能图、（g）容量保持率及（h）大电流密度下的循环性能图。

图10 采用NS/MXene@MnO₂正极材料及修饰的隔膜组装的全电池的储能机制分析。（a，b）GITT曲线、（c）阻抗曲线、（d）Z′和ω^–1/2曲线、（e）不同扫速下的循环伏安曲线、（f，g）峰电流和扫速的关系图、（h）扩散和赝电容的贡献图。

图11 全电池中金属锌在不同隔膜体系下的沉积演变图。

总结与展望

通过设计自支撑的、柔性的、亲锌的MXene@多孔氧化物修饰的隔膜来稳定金属锌负极。（1）通过一步真空蒸馏法所制备的多孔氧化物具有大的比表面积、高的孔隙率及均匀的孔结构。（2）通过真空蒸馏法，一系列的多抗氧化物被合成，如多孔氧化钴、多孔氧化铜、多孔氧化镁、多孔三氧化二铟、多孔二氧化钛等。（3）MXene@多孔氧化物修饰层可以均匀电场分布、促进离子扩散、降低局部电流密度，因此修饰的隔膜可以诱导均匀的锌沉积。（4）亲锌的修饰层可以促进锌离子流的均匀分布。基于上述的优点，获得的锌金属负极具有长的循环寿命。此外，这种改性方法也可被应用到其他金属电池体系中，如锂、钠、钾、镁、钙等金属电池。

通讯作者介绍

冯金奎，山东大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，国家高层次青年人才入选者，山东省泰山学者青年专家，山东省杰青，钱逸泰院士团队成员，主要研究方向，二次电池关键材料。近五年以通讯作者在Energy Environ. Sci.(2)、ACS Nano (7)、Adv. Energy Mater.、 Adv. Funct. Mater (3) 、Energy Storage Mater (4)、Nano Today. NanoEnergy (2)等期刊发表sci论文80余篇,其中if>10的30余篇。正面他引超过8000次，高被引论文16篇。

第一作者介绍

安永灵，山东大学2019级博士生，于2023年06月博士毕业。研究方向为高安全和高能量密度电极材料的可控制备及性能与机理研究，以第一作者在国际顶刊Nano Today、Advanced Functional Materials (2)、Nano Energy、Energy Storage Materials、ACS Nano (8)发表SCI论文20余篇，累计他引1100余次，其中ESI论文3篇。申请专利50余项，授权22项（yonglingan@126.com）。

https://doi.org/10.1002/adfm.201908721

https://doi.org/10.1002/adfm.202101886

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.03.036

https://doi.org/10.1016/j.nantod.2021.101094

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2020.07.006

https://doi.org/10.1021/acsnano.2c01571

https://doi.org/10.1021/acsnano.1c02928

https://doi.org/10.1021/acsnano.1c11098

https://doi.org/10.1021/acsnano.1c05934

https://doi.org/10.1021/acsnano.0c08336

https://doi.org/10.1021/acsnano.9b06653

https://doi.org/10.1021/acsnano.8b08740