近日，大連化物所催化基礎(chǔ)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室二維材料化學(xué)與能源應(yīng)用研究組（508組）吳忠?guī)浹芯繂T團(tuán)隊與李先鋒研究員、鄭瓊副研究員團(tuán)隊，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)余彥教授團(tuán)隊合作，發(fā)展了一種三維柔性、高導(dǎo)電、親堿性金屬的MXene/三聚氰胺多孔氣凝膠新材料，有效調(diào)控了堿金屬與三維框架載體間的表界面化學(xué)，獲得了高倍率、高容量、無枝晶堿金屬（鋰、鈉、鉀）負(fù)極，并構(gòu)筑出高比能、長壽命堿金屬電池。
堿金屬具有高理論比容量（Li：3680 mAh g-1；Na：1165 mAh g-1；K：687 mAh g-1）和低氧化還原電位（Li：-3.04 V；Na：-2.71 V；K：-2.93 V vs. SHE）而被認(rèn)為是下一代高能量密度電池的理想負(fù)極材料。但由于其存在不可控的枝晶生長以及充放電過程堿金屬體積膨脹大等問題，導(dǎo)致堿金屬循環(huán)性能差、安全性能低，大大限制了堿金屬負(fù)極在全電池中的實(shí)際應(yīng)用。因此，設(shè)計一種具有高機(jī)械強(qiáng)度的輕質(zhì)、柔性、導(dǎo)電骨架，同時能夠?qū)崿F(xiàn)在大電流密度和高容量條件下工作無枝晶產(chǎn)生的堿金屬負(fù)極，是目前突破堿金屬電池應(yīng)用瓶頸的一種有效方法。
三維MXene-三聚氰胺泡沫用于高電流密度、高容量堿金屬電極的原理圖
該團(tuán)隊開發(fā)出一種輕質(zhì)柔性的三維MXene/三聚氰胺多孔泡沫材料，具有良好的親堿金屬表面、快速的電子和離子傳輸通道以及優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度，將其用作堿金屬（鋰、鈉、鉀）的載體，有效抑制了堿金屬負(fù)極的枝晶生長和體積變化。該復(fù)合電極實(shí)現(xiàn)了鋰負(fù)極在50 mA cm-2的高電流密度和50 mAh cm-2面容量下的穩(wěn)定工作，并且鈉負(fù)極實(shí)現(xiàn)了20 mA cm-2的高倍率和20 mAh cm-2的高面容量。李先鋒、鄭瓊團(tuán)隊開展了堿金屬電池內(nèi)多物理場耦合下的模擬計算研究，結(jié)果表明，該復(fù)合電極能夠有效提高固液相界面濃度分布的均勻性，顯著降低界面反應(yīng)電流密度，從而引導(dǎo)堿金屬離子在MXene骨架上均勻沉積，抑制枝晶的生成。將該金屬負(fù)極應(yīng)用到鋰硫、鈉/磷酸釩鈉全電池中，顯著提高了全電池的循環(huán)壽命和倍率性能。這種柔性高導(dǎo)電性、親堿金屬的三維多孔電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計策略為構(gòu)建高能量密度、長循環(huán)壽命的堿金屬電池提供了新的思路。
相關(guān)研究成果發(fā)表在《美國化學(xué)會 納米》（ACS Nano）上。上述工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目、中科院潔凈能源創(chuàng)新研究院項(xiàng)目等資助。
