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張一洲/董升陽(yáng)/龐歡AFM：3D打印MXene基鐵電聚合物改善鋅離子電池性能

水系鋅離子電池（AZIBs）的鋅（Zn）金屬負(fù)極因其理論容量高、氧化還原電位低、成本低等特點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。然而，不可控的枝晶形成和副反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致電池的可逆循環(huán)有限和快速失效。

在此，南京信息工程大學(xué)張一洲教授、董升陽(yáng)教授&揚(yáng)州大學(xué)龐歡教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)3D打印方法構(gòu)建了具有高β相含量的聚偏二氟乙烯(PVDF)基保護(hù)層(PVDF-MXene)。3D打印方法和MXene納米片的協(xié)同效應(yīng)有助于PVDF聚合物鏈從α相到β相的相變，從而提高打印的PVDF薄膜的鐵電性能。

這種保護(hù)層可以控制鋅離子的濃度分布。因此，使用這種負(fù)極(PVDF-MXene-Zn)的對(duì)稱鋅電池在1.0 mA cm^-2和1.0 mAh cm^-2下表現(xiàn)出可逆的鋅電鍍/剝離，具有低電壓滯后，循環(huán)超過(guò)4200小時(shí)。當(dāng)與MnO₂和活性炭組裝時(shí)，所得的Zn-MnO₂電池和鋅離子電容器表現(xiàn)出顯著增強(qiáng)的循環(huán)穩(wěn)定性。

圖1. 對(duì)稱電池性能

總之，該工作以二維Ti₃C₂T_x納米片為模板，采用3D打印工藝，設(shè)計(jì)了極化鐵電聚合物基復(fù)合薄膜(PVDF-MXene)，以改善鋅沉積行為，穩(wěn)定鋅金屬負(fù)極的剝離/鍍過(guò)程。Ti₃C₂T_x納米片與PVDF聚合物之間的強(qiáng)靜電相互作用可以增強(qiáng)PVDF聚合物的β相，從而改善其鐵電性能，并協(xié)同調(diào)節(jié)陽(yáng)離子分布和陰離子濃度。MXene納米片由于其高導(dǎo)電性和與Zn的強(qiáng)結(jié)合能，可以在復(fù)合膜表面誘導(dǎo)均勻的鋅成核/沉積。

因此，PVDF-MXene改性的鋅陽(yáng)極在1 mA cm^-2下表現(xiàn)出超過(guò)4200小時(shí)的延長(zhǎng)循環(huán)壽命，以及接近100%的高CE。使用這種鋅負(fù)極所制造的鋅離子電池和鋅離子電容器都表現(xiàn)出改善的電化學(xué)性能和顯著的容量保持率。因此，這種構(gòu)建新型鐵電復(fù)合材料薄膜來(lái)穩(wěn)定鋅負(fù)極的策略是非常有效的，并為可應(yīng)用于高性能電池的其他金屬負(fù)極提供了新的思路。

圖2. 全電池性能

3D Printing of MXene-Enhanced Ferroelectric Polymer for Ultrastable Zinc Anodes Advanced Functional Materials 2023 DOI: 10.1002/adfm.202305550

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