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孫靖宇/楊先中/薛載坤AFM: 用于穩(wěn)定鋅負(fù)極的MXene修飾的Janus隔膜

隔膜改性最近已成為一種有效的策略，可以實(shí)現(xiàn)無枝晶的鋅金屬負(fù)極。盡管如此，目前探索的途徑仍不利于量產(chǎn)，對(duì)隔膜調(diào)控的本質(zhì)關(guān)注甚少。

為此，蘇州大學(xué)孫靖宇教授、楊先中及薛載坤等人通過在商用玻璃纖維（GF）的一側(cè)噴涂印刷MXene納米片而設(shè)計(jì)了一種可擴(kuò)展的Ti₃C₂T_x MXene修飾的 Janus隔膜。該策略具有足夠的可擴(kuò)展性和簡(jiǎn)單性，因此這種噴涂印刷生產(chǎn)路線具有滿足實(shí)際需求的潛力。由此衍生的MXene-GF隔膜具有豐富的表面極性基團(tuán)、良好的電解液潤(rùn)濕性和高離子電導(dǎo)率，有利于促進(jìn)均勻局部電流分布和Zn成核動(dòng)力學(xué)。

值得注意的是，MXene-GF顯示出可調(diào)節(jié)的介電常數(shù)（ε），其優(yōu)化值為53.5。由于ε差異而通過麥克斯韋-瓦格納效應(yīng)對(duì)GF的極化，可以建立具有50% 增強(qiáng)強(qiáng)度的定向內(nèi)置電場(chǎng)以加速傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)。因此，這使得鋅負(fù)極的性能穩(wěn)定，從而提供了均勻的界面離子場(chǎng)。

圖1. 基于MXene-GF隔膜的Zn//Zn對(duì)稱電池性能

因此，基于MXene-GF隔膜的Zn//Zn對(duì)稱電池在1 mA cm^-2/1 mAh cm^-2（1180小時(shí)）和 5 mA cm^-2/1 mAh cm^-2（1200小時(shí)）下均可實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)壽命，而基于裸GF的對(duì)稱電池僅在63小時(shí)后便發(fā)生短路。更令人印象深刻的是，組裝的對(duì)稱電池即使在10 mA cm^-2/10 mAh cm^-2下也可循環(huán)125小時(shí)，這可歸因于增強(qiáng)的界面親鋅性和降低的電池阻抗。

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)隔膜的實(shí)用性，作者組裝了包含 KVOH正極、Zn負(fù)極和MXene-GF隔膜的水系鋅離子全電池，該電池在5.0 A g^-1 下循環(huán)1000次后獲得77.9% 的高容量保持率，在1.0 A g^-1下循環(huán)100次后容量保持率為83.9%。甚至，該電池可在不同的彎曲狀態(tài)下為電子定時(shí)器供電，有望在柔性儲(chǔ)能領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)實(shí)際應(yīng)用。總之，這種具有可擴(kuò)展性和有效性的策略為高性能金屬負(fù)極提供了新的見解。

圖2. 配備MXene-GF隔膜的全電池的電化學(xué)性能

Printing-Scalable Ti₃C₂T_x MXene-Decorated Janus Separator with Expedited Zn²⁺ Flux toward Stabilized Zn Anodes, Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202204306

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