北航杨树斌教授AM：锂金属在平行对齐的MXene层上的横向生长使锂金属负极无锂枝晶

【引言】

化学活性非常高的锂金属容易和电解液反应，通常形成不均匀的固体电解质界面（SEI）。SEI层进一步引起锂离子不规则的流动，使锂枝晶的不可控的生长恶化。这最终导致锂金属负极失效和严重的安全问题。目前抑制锂枝晶的策略有3种：1.形成稳定的SEI膜，保护锂金属不受电解液腐蚀，调节负极和电解液之间的界面的锂离子的流动；2.控制锂金属的成核和生长来引导锂金属的沉积，抑制锂枝晶的生长；3.利用导电的、化学性能稳定的、比表面积大的3D载体来大大降低电极的局部电流密度和调节电场。然而，锂金属精确的成核和定向的生长，尤其是深层的剥离和沉积，依然是一项重大的挑战。

【成果简介】

平行对齐的MXene(Ti₃C₂T_x)层不仅能有效引导锂金属在长径比大的MXene纳米片的表面上均匀成核，而且促进锂金属在MXene层上横向生长。而且，负极和电解液之间的界面形成均匀的、持久的氟化锂SEI，有效地统一锂离子的流动。因此，平行对齐的MXene-锂金属 (PA-MXene-Li)混合负极的循环寿命高达900小时，容量高达35 mAh cm⁻²。上述成果由北京航空航天大学杨树斌教授（通讯作者）课题组于近日发表在国际著名期刊Adv. Mater.上。

【图文导读】

图1

a.锂金属沉积在锂金属层的示意图

b.锂金属沉积在平行对齐的MXene (PA-MXene) 层的示意图

c.PA-MXene层的SEM图。插图是PA-MXene层的顶视图

d-f.分别是容量为0.2 mAh cm⁻²（d）、0.5 mAh cm⁻²（e）、2.5 mAh cm⁻²（f）的条件下的PA-MXene-Li层的SEM图，表明了锂金属逐渐横向生长。

图2.

a.锂金属分别沉积在PA-MXene-Cu、PA-MXene-O和Cu箔片的电压曲线

b.锂金属沉积和剥离后PA-MXene-Cu和Cu箔片的高分辨率F1s XPS图

c.PA-MXene-Li为负极的对称电池的恒电流循环曲线

图3.

a.电流密度从1mA cm⁻²到25mA cm⁻²时PA-MXene-Li的电压曲线

b.容量从 5mAh cm⁻²到35 mAh cm⁻²时PA-MXene-Li的电压曲线

c-f.容量分别为5 mAh cm⁻²（c）、10 mAh cm⁻²（d）、20mAh cm⁻²（e）和35 mAh cm⁻²（f）时PA-MXene-Li的SEM图，表明形成了鹅卵石状锂金属。

图4.

a. PA-MXene-Li/LFP全电池的循环曲线和库伦效率。插图是从第10个循环到第400个循环的充放电曲线

b.PA-MXene-Li/LFP和Li/LFP全电池的倍率性能

c.PA-MXene-Li/LFP和Li/LFP全电池的循环稳定性

d.PA-MXene-Li/LFP全电池的电压曲线

【小结】

研究团队报道了平行对齐的MXene层能有效引导锂金属的成核和在MXene层上横向生长，使锂金属负极无锂枝晶、循环寿命高达900小时和容量高达35 mAh cm⁻²。2D纳米片作为成核位置的简单策略能有效控制活性金属（例如锂、钠）的生长方向，得到无枝晶的金属负极。

文献链接：Horizontal Growth of Lithium on Parallelly Aligned MXene Layers towards Dendrite‐Free Metallic Lithium Anodes（Adv. Mater.,2019,DOI:10.1002/adma.201901820）

本文由kv1004供稿。