研究背景

鋰枝晶一直是鋰金屬負極走向實際應用的“攔路虎”。一般，鋰金屬負極在有機電解液中只能形成厚而脆的SEI膜，SEI膜的不均勻性導致Li+流分布不均勻，加劇了鋰枝晶的生成。

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目前，解決鋰枝晶主要有以下三種途徑：

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(1) 利用原位或非原位方法在鋰金屬負極表面形成穩(wěn)定的SEI膜；

(2) 通過控制鋰金屬的成核和生長，誘導鋰金屬在鋰負極表面均勻沉積；

(3) 采用導電性好、化學穩(wěn)定的三維集流體。

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然而，即使采用上述辦法，在深度充放電循環(huán)的條件下預防鋰枝晶的形成仍是一個世界性難題。

成果速遞

北京航空航天大學的楊樹斌教授（通訊作者）與宮勇吉教授、李彬老師等利用MXene自組裝形成的LB膜，將無枝晶鋰金屬負極的發(fā)展又向前推進了一大步！

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該工作將MXene片層（成分為Ti3C2Tx）制成LB膜并轉移到鋰金屬負極表面，使MXene片層的基面與鋰金屬負極緊密貼合，形成平行于鋰負極表面的MXene膜。

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研究發(fā)現(xiàn)，鋰金屬負極表面的MXene膜能誘導鋰金屬的均勻成核和生長。即使在深度充放電條件下，由MXene膜層覆蓋的鋰金屬負極也能達到900 h的循環(huán)壽命，此時MXene-Li負極的面容量為35 mAh/cm2。

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圖文導讀

將MXene片層分散在乙醇溶液中制成LB膜，并轉移到鋰箔表面，得到的PA-MXene-Li負極能在空氣中穩(wěn)定保持2天，而不會發(fā)生明顯的氧化。

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SEM圖像表明，鋰金屬的初始成核位點為MXene片層的邊緣，這得益于鋰沉積過程中形成的Ti-O-Li鍵。

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注：PA-為parallelly aligned。

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圖1 (a) 鋰金屬負極 和 (b) PA-MXene-Li負極表面的鋰沉積示意圖；(c) 不同充放電深度下的PA-MXene-Li負極表面形貌。

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該工作采用恒電流充電的模式，在50 μA/cm2下對鋰金屬的成核過電位進行測試，得到的結果如圖2a所示。在穩(wěn)態(tài)擴散條件下，對于MXene（端基為-F）修飾的鋰金屬負極（記為PA-MXene-Li負極）而言，鋰成核過電位（8 mV）低于同等條件下MXene（端基為-O）修飾的鋰金屬負極或銅集流體。

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這是因為MXene片層上的-F端基有利于生成富含LiF的SEI膜，而鹵化鋰能提供高的鋰離子遷移率。通過對比-F端基和-O端基對鋰成核過電位的影響，可知鋰金屬更容易在含-F端基的MXene表面沉積。

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圖2 不同鋰負極及集流體對鋰沉積的影響。

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在1 mA/cm2的電流密度下，由PA-MXene-Li電極與碳酸酯基電解液構成的對稱電池能達到900圈的循環(huán)壽命，且鋰金屬在循環(huán)過程中不會從集流體上脫落。即使在高達25 mA/cm2的電流密度下，PA-MXene-Li電極也表現(xiàn)出穩(wěn)定的循環(huán)性能。相比之下，以往報導的鋰負極一般會在10 mA/cm2的電流密度下失效。

隨著充放電程度加深，PA-MXene-Li電極表面始終保持鵝卵石狀鋰金屬形貌（圖3c-f）。即使在高達35 mAh/cm2的面容量下，PA-MXene-Li電極也能持續(xù)工作400h以上。

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PA-MXene-Li電極的鋰含量高達97 wt%，其質量比容量和體積比容量分別為3744 mAh/g和1932 mAh/cm3。

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圖3 (a,b) 由PA-MXene-Li電極與碳酸酯基電解液構成的對稱電池在不同電流密度和不同充放電深度下的電化學行為；(c) PA-MXene-Li電極在不同充放電深度下的表面形貌。

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圖4 PA-MXene-Li/LFP全電池的電化學性能

總結與展望

該工作用簡便易行的方法將MXene片層制成LB膜，并將LB膜轉移到鋰金屬負極表面，成功的誘導了鋰金屬在水平方向的成核和生長，杜絕了鋰枝晶的生成。

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即使在高達25 mA/cm2的電流密度和35 mAh/cm2的充放電深度下，沉積的鋰金屬都始終保持鵝卵石狀的形態(tài)，而沒有出現(xiàn)鋰枝晶。這項工作為Li、Na等活潑金屬負極的枝晶控制提供了經典范例。

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文獻信息

Horizontal Growth of Lithium on Parallelly Aligned MXene Layers towards Dendrite-Free Metallic Lithium Anodes (Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201901820.)

文獻鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201901820