MXene键合传输网络结构设计助力高性能固态锌金属电池

科技 09-02 来源：科学材料站

深圳大学张培新教授，AFM研究论文：聚合物电解质内部MXene键合传输网络结构设计助力高性能固态锌金属电池

【文章信息】

聚合物电解质内部嵌入多功能MXene键合传输网络实现高倍率、稳定的固态锌金属电池

第一作者：冯娟

通讯作者：马定涛，张培新

单位：深圳大学

【研究背景】

水系锌金属电池因其低成本、高理论体积容量（5855 mAh cm -3）和安全等综合优势而被认为是一种很有前景的储能解决方案。然而由活性水分子引发的副反应，如腐蚀、析氢和阴极溶解，会严重损坏电极结构并导致电化学失效。有鉴于此，采用固态聚合物电解质(SPE)替代水性电解质有望有效减少这些有害影响。此外，SPE的发展对于柔性固态电池技术也至关重要。然而，SPEs较差的离子传输性能通常会导致锌金属电池的传输动力学缓慢。此外，不稳定的界面会进一步破坏电极-电解质接触，大大增加极化效应。因此，构建高性能固态锌金属电池的前提条件应着眼于开发具有高效离子传输和稳定电极-电解质界面的SPE。

【文章简介】

近期，深圳大学张培新课题组在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Multifunctional MXen-State Zinc Metal Batteries” 的文章。

该文章以具有代表性的Ti3C2TxMXene为例，展示了一种可用于锌金属电池的多功能MXene键合传输网络嵌入聚偏二氟乙烯共六氟丙烯/Zn(OTf)2固态聚合物电解质(PH/MXene SPE)。MXene-聚合物氢键网络的形成，将SPE的离子电导率和离子迁移数分别提高到4.52×10–4和0.435，此外，这种SPE的热扩散率也可以提高50%。仿真模拟和实验结果证实，在引入二维MXene纳米填料后，可以在锌金属阳极-电解质界面实现均匀的离子传输，从而有利于稳定的界面化学。

PH/MXene固态聚合物电解质的作用机制示意图

【本文要点】

要点一：

亲锌MXene的加入将诱导聚合物主链内氢键网络的形成，而MXene表面F和o的负电荷与聚合物链上H原子之间的氢键可以形成偶极子，特别是在外部电场下的互连位置。此外，偶极子的积累会导致介电常数的提高，从而通过局部极化电场效应加速锌盐的解离和离子传输。

基于局部极化电场效应的离子传输增强机制示意图，该效应源自分布在氢键网络上的激发偶极子

要点二：

在 0.1 mA cm–2和0.5 mA cm-2下分别实现了2500小时和1500小时的超稳定电镀/剥离工艺。COMSOL模拟结果清楚地证明了PH/MXene SPE中Zn沉积的均匀性增强，这主要得益于MXene键合传输网络的形成调节均匀离子传输。此外PH SPE基电极在循环后可以观察到苔藓状的Zn沉积且界面F、S元素分布不均匀。与此形成鲜明对比的是，改性SPE的电极的表面则是光滑平整且F、S元素的分布均匀。通过结合仿真模拟和实验研究可证实：在SPE内构建MXene键合传输网络有利于加速、均匀化离子传输，以实现稳定的界面化学和均匀的Zn沉积。

基于 PH SPE 和 PH/MXene SPE 的 Zn 电镀/剥离电化学性能测试。a) Zn|Cu不对称电池在0.1 mA cm-2和0.1 mA h cm-2条件下的库仑效率。b)以 0.1 mV s –1记录的 CV 曲线。c) Zn|Zn对称电池的循环稳定性和 d) 倍率性能。e) 在循环寿命方面与以往报道的比较。

电极-电解质界面中Zn沉积行为的模拟和实验研究。a,c) PH SPE 和 b,d) PH/MXene SPE 中的归一化局部电流密度分布和Zn离子浓度分布。分别在PH SPE中循环 e,g-j) 800 h和在PH/MXene SPE中循环 f,k-n) 2500 h后的激光共聚焦扫描显微镜、FESEM和相应的EDS映射图像，工作条件为0.1 mA cm–2与0.1 mA h cm–2。

要点三：

采用Ar+溅射的X射线光电子能谱(XPS)分析了25个循环后电极的界面成分，结果表明在溅射前在电极表面上存在具有主要有机含量和较少无机含量的杂化组分。而Ar+溅射120s后，C-C、C-O和-SO3等有机成分的含量大大减弱，无机ZnF2成分的强度显着增强，同时出现了ZnS (162.5 eV) 和ZnO (529.7 eV)等组分。这些亲锌成分（ZnF2, ZnO和ZnS)有利于有效的离子传输和界面稳定性。一般来说，稳定、亲锌界面的形成有利于高效的界面传输动力学，从而导致电化学阻抗逐渐降低。