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山大馮金奎ACS Nano: 摻硫3D MXene/ZnS異質(zhì)結(jié)作為無(wú)枝晶鋅離子電池保護(hù)層

由于其高理論容量、合適的工作電位、豐富的資源、本質(zhì)安全性和低成本，鋅（Zn）金屬被認(rèn)為是最有前途的水系電池負(fù)極之一。然而，枝晶生長(zhǎng)和副反應(yīng)造成的危害阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。

為了解決這些問(wèn)題，山東大學(xué)馮金奎教授等人設(shè)計(jì)并構(gòu)建了由電子導(dǎo)電硫摻雜三維 (3D) MXene（Ti₃C₂T_x）骨架和離子導(dǎo)電ZnS在Zn負(fù)極上組成的異質(zhì)保護(hù)層（S/MX@ZnS@Zn）。

在生成ZnS的過(guò)程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)了硫摻雜和MXene 3D結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建。摻硫3D MXene可以有效地均勻電場(chǎng)分布，降低局部電流密度，減輕體積變化。ZnS能抑制副反應(yīng)，促進(jìn)Zn²⁺的均一化分布，加速Zn²⁺遷移。

圖1. 不同溫度下S/ MX@ZnS@ Zn的制備示意圖

因此，基于這種保護(hù)層的Zn||Zn 對(duì)稱(chēng)電池實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定且無(wú)枝晶的鋅負(fù)極，具有長(zhǎng)達(dá) 1600 小時(shí)的顯著循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。

作者還探討了保護(hù)層結(jié)構(gòu)與鋅負(fù)極性能之間的關(guān)系，使用受保護(hù)的鋅負(fù)極和獨(dú)立的硫摻雜 3D MXene@MnO₂正極，可以獲得高能量、長(zhǎng)循環(huán)壽命和高倍率的全電池。這項(xiàng)工作可能為實(shí)用的鋅負(fù)極和其他金屬基電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供方向。

圖2. Zn||MnO₂全電池的電化學(xué)性能

Rational Design of Sulfur-Doped Three-Dimensional Ti₃C₂T_x MXene/ZnS Heterostructure as Multifunctional Protective Layer for Dendrite-Free Zinc-Ion Batteries, ACS Nano 2021. DOI: 10.1021/acsnano.1c05934

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