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北航楊樹斌AEM: 基于MXene-聚吡咯層的電荷富集策略實(shí)現(xiàn)無枝晶鋅負(fù)極

盡管鋅金屬負(fù)極對(duì)于水系鋅離子電池具有高比容量、高安全性、低成本等固有優(yōu)勢(shì)，但臭名昭著的枝晶生長(zhǎng)問題阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。

在此，北京航空航天大學(xué)楊樹斌教授等人開發(fā)了一種通過在鋅箔上噴涂MXene基聚吡咯（MXene-mPPy）層的電荷富集策略，用于實(shí)現(xiàn)無枝晶的Zn金屬負(fù)極（MXene-mPPy/Zn）。其中，MXene-mPPy層是通過在表面活性劑 F127 的幫助下在MXene兩側(cè)可控聚合吡咯來制備的。

得益于Ti₃C₂T_x上豐富的親水官能團(tuán)和F127中暴露的親水性聚環(huán)氧乙烷，F(xiàn)127分子可以通過氫鍵容易地吸附在Ti₃C₂T_x層的兩側(cè)。采用簡(jiǎn)單的噴涂技術(shù)，可在鋅箔表面形成均勻的MXene-mPPy薄膜層。研究表明，MXene-mPPy層不僅有利于積累電荷濃度，而且有利于均勻電場(chǎng)和離子通量的分散并將其用作Zn負(fù)極上的人工界面。

圖1. MXene-mPPy/Zn對(duì)稱電池的電化學(xué)性能

電化學(xué)測(cè)試表明，MXene-mPPy/Zn對(duì)稱電池在0.2 mA cm^-2的電流密度和0.2 mAh cm^-2的面積容量下可提供超過2500小時(shí)的超長(zhǎng)壽命，最低電壓滯后為 22 mV。其中，大大降低的電壓滯后和延長(zhǎng)的使用壽命可歸因于MXene-mPPy層誘導(dǎo)的成核勢(shì)壘降低和鋅的加速電鍍動(dòng)力學(xué)。

此外，該對(duì)稱電池還具有優(yōu)異的倍率性能以及負(fù)極循環(huán)后的無枝晶形態(tài)。當(dāng)MXene-mPPy/Zn進(jìn)一步當(dāng)與MnO₂正極組裝為全電池時(shí)，在10 A g^-1下可實(shí)現(xiàn)高達(dá)3000次循環(huán)的穩(wěn)定循環(huán)性能，每個(gè)循環(huán)的容量衰減率僅為 0.01%。作者相信，本研究提出的電荷富集策略可以進(jìn)一步擴(kuò)展到其他無枝晶金屬負(fù)極的制備。

圖2. MnO₂ //MXene-mPPy/Zn全電池的電化學(xué)性能

Charge-Enriched Strategy Based on MXene-Based Polypyrrole Layers Toward Dendrite-Free Zinc Metal Anodes, Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202103979

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