鋰金屬電池 (LMB) 和無陽極 LMB (AFLMB) 為滿足電池理論能量密度顯著優越的需求提供了一種解決方案。 然而，它們的采用受到庫侖效率（CE）低和容量快速衰減的阻礙，這主要是由于不均勻的鋰鍍層導致不穩定的固體電解質中間相（SEI）層的形成和鋰枝晶的生長。 在這里，我們報告了在銅集流體上使用化學計量的 Ti3C2Tx (S-Ti3C2Tx) MXene 涂層來增強無陽極鋰金屬電池的循環穩定性。 S-Ti3C2TX涂層提供了豐富的成核位點，從而降低了鋰成核的過電勢，并促進均勻的鋰電鍍。 此外，S-Ti3C2TX 的氟 (−F) 末端參與 SEI 的形成，產生富含 LiF 的 SEI 層，這對于穩定 SEI 和提高循環壽命至關重要。 配備S-Ti3C2Tx@Cu集電器的電池在穩定的SEI形成過程中顯示出鋰消耗減少，從而導致容量損失顯著減少。 具有S-Ti3C2Tx@Cu集流體的AFLMB實現了4.2mAhcm−2的高初始容量密度，50次循環后的容量保持率為70.9%，100次循環后的平均CE為98.19%。 MXene 在能源領域的這種創新應用為增強 AFLMB 的性能提供了一種有前景的策略，并有可能加速其商業應用。
圖1. 無陽極鋰金屬電池中(改性)Cu集流器上的鋰成核示意圖。a)在Cu集流器上鍍Li，說明了Li成核不穩定和枝晶生長不受控制的問題。b) S-Ti3C2Tx@Cu集流器上鍍鋰，由于富liff固體電解質界面相的形成，鍍層均勻，未形成不規范的鋰枝晶。
圖2. S-Ti3C2Tx 和 S-Ti3C2Tx@Cu 的表征。A) S-Ti3AlC2 MAX 前驅體和 S-Ti3C2Tx MXene 的 XRD 圖譜。B) Ti _ 2p 和 c) F _ 1s 高分辨 X 射線光電子能譜(S-Ti3C2Tx)。D)真空過濾 S-Ti3C2Tx 薄膜的斷面掃描電鏡圖像。E) S-Ti3C2Tx@Cu 的 FIB 橫截面圖像。F) S-Ti3C2Tx@Cu 的橫截面透射電鏡圖像。
圖3. Cu和S-Ti3C2Tx@Cu集熱器上Li沉積形態的SEM圖像。a) Cu和d) S-Ti3C2Tx@Cu鍍鋰前的集流器。b) Cu和e) 0.2 mAh cm−2 Li電鍍后的S-Ti3C2Tx@Cu集流器。c) Cu和f) S-Ti3C2Tx@Cu經4mah cm−2 Li電鍍后的集流器。在0.5 mA cm−2的恒定電流密度下進行鋰金屬電鍍。電解液組成為1 μ m LiFSI + 1 μ m LiNO3 in DME。
圖4. 在 Cu/Li 和 S-Ti3C2Tx@Cu/Li 不對稱電池中，在 0.5mAcm−2 條件下鍍 4 mAh cm−2 鋰后，通過 XPS 測量獲得 SEI 信息。 不同濺射時間下 a) Cu 集流體和 d) S-Ti3C2Tx@Cu 集流體上鋰金屬表面 SEI 的量化原子組成比。 不同濺射時間下 b) Cu 集流體和 e) S-Ti3C2Tx@Cu 集流體上鋰金屬表面的 F 1s XPS 深度剖面。 c) Cu集流體和f) S-Ti3C2Tx@Cu集流體在不同濺射時間下的O 1s XPS深度剖面圖。
圖5. Cu/Li和S-Ti3C2Tx@Cu/Li不對稱電池的電化學表征。a)電流密度為50 μA cm−2的恒流鍍鋰金屬型材。b)在0.5 mA cm−2電流密度下，第一個循環中鋰沉積/剝離的電壓分布圖。c) 0.5 mA cm−2電流密度下鋰沉積/剝離的庫侖效率。d)電流密度為0.5 mA cm−2時的電壓隨時間曲線。e)電池在(d)中循環后的電化學阻抗譜，頻率范圍為0.01 ~ 500000 Hz，正弦電位信號為50 mV。
圖6. 含Cu和S-Ti3C2Tx@Cu集流器的無陽極硬幣電池在實際條件下的電化學性能。a)無陽極NCM811全電池循環性能圖。b)無陽極NCM811全電池第一次循環的電壓分布圖。c)無陽極NCM811全電池第20次循環的電壓分布圖。d)本工程與以往工程50次循環后保證穩定運行的初始面積容量和容量保持率的比較。無陽極電池在0.84 mA cm−2的固定電流密度下工作，相當于0.2 C的速率。
相關科研成果由韓國科學技術院Il-Kwon Oh，Yury Gogotsi等人于2024年發表在Energy & Environmental Materials（https://doi.org/10.1002/eem2.12686）上。原文：Stoichiometric Ti3C2Tx Coating for Inhibiting Dendrite Growth in Anode-Free Lithium Metal Batteries
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/eem2.12686
轉自《石墨烯研究》公眾號
