具有均勻孔隙和功能化表面的離子分隔器顯示出解決鋰金屬電池中鋰枝晶問題的巨大潛力。在這項研究中，設計并制備了單金屬和氮共摻雜的碳-三明治MXene（M-NC@MXene）納米片，它具有高度有序的納米通道，直徑為10nm。實驗和計算驗證了M-NC@MXene納米片可通過以下幾種方式消除鋰枝晶：（1）通過高度有序的離子通道重新分配鋰離子通量；（2）通過雜原子摻雜選擇性地傳導鋰離子和錨定陰離子以延長鋰枝晶的成核時間；（3）在常規聚丙烯（PP）隔膜上緊密交錯以阻擋鋰枝晶的生長路徑。因此，采用Zn-NC@MXene涂層的PP隔膜，組裝的Li||Li對稱電池在3 mA cm
-2的高電流密度和3 mAh cm
-2的高面容量下表現出25 mV的超低過電位，以及1500小時的循環壽命。此外，值得注意的是，它還將能量密度為305 Wh kg
-1的Li||Ni83軟包電池的壽命提高了5倍。另外，Li||Li、Li||LiFePO
4、Li||S電池的卓越性能揭示了精心設計的多功能離子分流器在進一步實際應用中的巨大潛力。
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Fig 1. (a) M-NC@MXene 納米片的制備示意圖。 Zn-NC@MXene 納米板的形態和結構特征：（b，c）TEM 圖像，（d）Cs 校正的 TEM 圖像，（e）HAADF 圖像和（f-j）相應的 EDS 圖案。
Fig 2. (a) 裸 PP 和 (b) Zn-NC@MXene/PP 隔板的 SEM 圖像（頂視圖）。 (c) 裸露的 PP 表面和 Zn-NC@MXene 表面的線性高度掃描曲線。通過不同分隔器在 1 mA cm
-2 下沉積 4 mAh cm
-2 Li 后陽極的 SEM 圖像和示意圖：(d-f) 裸 PP、(g-i) MXene/PP 和 (j-l) Zn-NC@MXene/PP。
Fig 3. (a) 用于 CE 計算的 Li||Cu 半電池中的 Aurbach 方案。 (b) 具有不同分壓器的 Li||Li 對稱電池的電壓-時間曲線，在 3 mA cm
-2 和 3 mAh cm
-2 下循環。 (c) Li||Ni83 軟包電池在 15 mA 電流下的循環性能。 (d) Li||Ni83 軟包電池照亮發光二極管陣列的圖像。 (e) Li||Ni83 軟包電池組件示意圖。 (f) Li||S (3.2 mg cm
−2) 電池在不同掃描速率下的 CV 曲線。 (g) Zn-NC@MXene 基、MXene 基和碳基硫陰極 S||S 對稱電池在 50 mV s
-1 掃描速率下的 CV 曲線。 (h) Li||S（3.2 mg cm
-2）與 Zn-NC@MXene/PP 分隔器在 1 C（1675 mA g
-1）電流密度下的循環性能。
Fig 4. (a) 在具有 vdW 和不具有 vdW 校正的 M-NC@MXene 結構中不同位點上與 Li 原子的結合能。 (b) Ti
3C
2O
2 (Ti
3C
2F
2) 表面的模擬遷移路徑和預期遷移網絡，以及 (c) 沿模擬路徑的相應遷移能量曲線。 (d) 不同活性位點與電解質中不同陰離子的結合能直方圖。 (e) Li
2S、Li
2S
2、Li
2S
4、Li
2S
6、Li
2S
8 和 S
8 在 Ti
3C
2O
2、Ti
3C
2F
2、5NC 和 6NC 表面上的結合能。 (f) 在孤立狀態下或在 Ti
3C
2O
2、Ti
3C
2F
2、5NC 和 6NC 表面將 S
8 還原為 Li
2S 期間不同反應步驟的相對自由能。
相關研究工作由四川大學Yan Zhao和武漢理工大學Liqiang Mai課題組于2023年聯合發表在《ADVANCED MATERIALS》期刊上，原文：Ultra-Uniform and Functionalized Nano-Ion Divider for Regulating Ion Distribution toward Dendrite-Free Lithium Metal Batteries。
轉自《石墨烯研究》公眾號
