锂金属电池 (LMB) 和无阳极 LMB (AFLMB) 为满足电池理论能量密度显着优越的需求提供了一种解决方案。 然而，它们的采用受到库仑效率（CE）低和容量快速衰减的阻碍，这主要是由于不均匀的锂镀层导致不稳定的固体电解质中间相（SEI）层的形成和锂枝晶的生长。 在这里，我们报告了在铜集流体上使用化学计量的 Ti3C2Tx (S-Ti3C2Tx) MXene 涂层来增强无阳极锂金属电池的循环稳定性。 S-Ti3C2TX涂层提供了丰富的成核位点，从而降低了锂成核的过电势，并促进均匀的锂电镀。 此外，S-Ti3C2TX 的氟 (−F) 末端参与 SEI 的形成，产生富含 LiF 的 SEI 层，这对于稳定 SEI 和提高循环寿命至关重要。 配备S-Ti3C2Tx@Cu集电器的电池在稳定的SEI形成过程中显示出锂消耗减少，从而导致容量损失显着减少。 具有S-Ti3C2Tx@Cu集流体的AFLMB实现了4.2mAhcm−2的高初始容量密度，50次循环后的容量保持率为70.9%，100次循环后的平均CE为98.19%。 MXene 在能源领域的这种创新应用为增强 AFLMB 的性能提供了一种有前景的策略，并有可能加速其商业应用。
图1. 无阳极锂金属电池中(改性)Cu集流器上的锂成核示意图。a)在Cu集流器上镀Li，说明了Li成核不稳定和枝晶生长不受控制的问题。b) S-Ti3C2Tx@Cu集流器上镀锂，由于富liff固体电解质界面相的形成，镀层均匀，未形成不规范的锂枝晶。
图2. S-Ti3C2Tx 和 S-Ti3C2Tx@Cu 的表征。A) S-Ti3AlC2 MAX 前驱体和 S-Ti3C2Tx MXene 的 XRD 图谱。B) Ti _ 2p 和 c) F _ 1s 高分辨 X 射线光电子能谱(S-Ti3C2Tx)。D)真空过滤 S-Ti3C2Tx 薄膜的断面扫描电镜图像。E) S-Ti3C2Tx@Cu 的 FIB 横截面图像。F) S-Ti3C2Tx@Cu 的横截面透射电镜图像。
图3. Cu和S-Ti3C2Tx@Cu集热器上Li沉积形态的SEM图像。a) Cu和d) S-Ti3C2Tx@Cu镀锂前的集流器。b) Cu和e) 0.2 mAh cm−2 Li电镀后的S-Ti3C2Tx@Cu集流器。c) Cu和f) S-Ti3C2Tx@Cu经4mah cm−2 Li电镀后的集流器。在0.5 mA cm−2的恒定电流密度下进行锂金属电镀。电解液组成为1 μ m LiFSI + 1 μ m LiNO3 in DME。
图4. 在 Cu/Li 和 S-Ti3C2Tx@Cu/Li 不对称电池中，在 0.5mAcm−2 条件下镀 4 mAh cm−2 锂后，通过 XPS 测量获得 SEI 信息。 不同溅射时间下 a) Cu 集流体和 d) S-Ti3C2Tx@Cu 集流体上锂金属表面 SEI 的量化原子组成比。 不同溅射时间下 b) Cu 集流体和 e) S-Ti3C2Tx@Cu 集流体上锂金属表面的 F 1s XPS 深度剖面。 c) Cu集流体和f) S-Ti3C2Tx@Cu集流体在不同溅射时间下的O 1s XPS深度剖面图。
图5. Cu/Li和S-Ti3C2Tx@Cu/Li不对称电池的电化学表征。a)电流密度为50 μA cm−2的恒流镀锂金属型材。b)在0.5 mA cm−2电流密度下，第一个循环中锂沉积/剥离的电压分布图。c) 0.5 mA cm−2电流密度下锂沉积/剥离的库仑效率。d)电流密度为0.5 mA cm−2时的电压随时间曲线。e)电池在(d)中循环后的电化学阻抗谱，频率范围为0.01 ~ 500000 Hz，正弦电位信号为50 mV。
图6. 含Cu和S-Ti3C2Tx@Cu集流器的无阳极硬币电池在实际条件下的电化学性能。a)无阳极NCM811全电池循环性能图。b)无阳极NCM811全电池第一次循环的电压分布图。c)无阳极NCM811全电池第20次循环的电压分布图。d)本工程与以往工程50次循环后保证稳定运行的初始面积容量和容量保持率的比较。无阳极电池在0.84 mA cm−2的固定电流密度下工作，相当于0.2 C的速率。
相关科研成果由韩国科学技术院Il-Kwon Oh，Yury Gogotsi等人于2024年发表在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
原文链接：https://doi.org/10.1002/eem2.12686
转自《石墨烯研究》公众号
