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由于低成本和易于加工，鋅粉（Zn-P）基負極一直被認為是鋅離子電池（ZIBs）的理想負極候選材料。然而，Zn-P基負極固有的負面特性，如易腐蝕和不受控制的枝晶生長，限制了其進一步應用。

在此，香港理工大學徐賓剛教授、趙景新博士后及哈爾濱工業大學李宇杰教授等人提出了一種新型的3D冷阱環境打印（3DCEP）技術，開發了一種具有高保真度和良好定向對準性能的創新3D周期性MXene/Zn-P氣凝膠負極（3DCEP-MXene/Zn-P）。其中，3DCEP技術是在全冷環境下實現的，油墨的瞬時凍結消除了溫度梯度對油墨流動的影響。

此外，由于低雷諾數油墨在微通道中的層流效應，MXene納米片自發有序排列。更重要的是，冰晶誘導進一步增強了MXene納米片在油墨擠壓后凍結過程中的定向排列穩定性。基于該負極并結合層流和冰晶誘導實現有序排列，作者提出了一種新的晶格匹配和物理約束效應（L-P效應）抑制Zn枝晶的機理。其中，MXene與Zn之間的高度晶格匹配及MXene界面間的物理約束作用極大地抑制了Zn-p的枝晶生長。

圖1. 3DCEP MXene/Zn-P負極中鋅枝晶抑制機理的研究

因此，3DCEP-MXene/Zn-P負極在超過1400小時的鍍鋅/脫鋅過程中表現出高循環穩定性和99.7%的高CE。為了突出3DCEP技術的通用性，作者通過3D冷阱環境打印制備了MXene、MnHCF及MXene和Co摻雜MnHCF氣凝膠正極（分別表示為3DCEP-MXene/MnHCF和3DCEP-MXene/Co-MnHCF）。

本文采用3DCEP-MXene/Zn-p負極和3DCEP-MXene/Co-MnHCF正極組裝的微型準固態全電池在0.2 A g^-1時提供了218.4 mAh g^-1的理想放電容量，并在2 A g^-1下穩定循環超過1600次后容量保持率為95.7%。作為一個概念展示，微型ZIB還可為實現自供電機械運動系統提供穩定的動力。總之，本研究為微鋅存儲系統在寒冷環境中快速制造具有高度有序排列的可逆鋅負極提供了啟發性的普適性途徑。

圖2. 全電池的電化學性能和反應動力學研究

3D Cold-Trap Environment Printing for Long-Cycle Aqueous Zn-Ion Batteries, Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202209886

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徐賓剛/趙景新/李宇杰AM: 用于長循環水系鋅離子電池的3D冷阱環境打印

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