徐宾刚/赵景新/李宇杰AM: 用于长循环水系锌离子电池的3D冷阱环境打印

由于低成本和易于加工，锌粉（Zn-P）基负极一直被认为是锌离子电池（ZIBs）的理想负极候选材料。然而，Zn-P基负极固有的负面特性，如易腐蚀和不受控制的枝晶生长，限制了其进一步应用。

在此，香港理工大学徐宾刚教授、赵景新博士后及哈尔滨工业大学李宇杰教授等人提出了一种新型的3D冷阱环境打印（3DCEP）技术，开发了一种具有高保真度和良好定向对准性能的创新3D周期性MXene/Zn-P气凝胶负极（3DCEP-MXene/Zn-P）。其中，3DCEP技术是在全冷环境下实现的，油墨的瞬时冻结消除了温度梯度对油墨流动的影响。

此外，由于低雷诺数油墨在微通道中的层流效应，MXene纳米片自发有序排列。更重要的是，冰晶诱导进一步增强了MXene纳米片在油墨挤压后冻结过程中的定向排列稳定性。基于该负极并结合层流和冰晶诱导实现有序排列，作者提出了一种新的晶格匹配和物理约束效应（L-P效应）抑制Zn枝晶的机理。其中，MXene与Zn之间的高度晶格匹配及MXene界面间的物理约束作用极大地抑制了Zn-p的枝晶生长。

图1. 3DCEP MXene/Zn-P负极中锌枝晶抑制机理的研究

因此，3DCEP-MXene/Zn-P负极在超过1400小时的镀锌/脱锌过程中表现出高循环稳定性和99.7%的高CE。为了突出3DCEP技术的通用性，作者通过3D冷阱环境打印制备了MXene、MnHCF及MXene和Co掺杂MnHCF气凝胶正极（分别表示为3DCEP-MXene/MnHCF和3DCEP-MXene/Co-MnHCF）。

本文采用3DCEP-MXene/Zn-p负极和3DCEP-MXene/Co-MnHCF正极组装的微型准固态全电池在0.2 A g^-1时提供了218.4 mAh g^-1的理想放电容量，并在2 A g^-1下稳定循环超过1600次后容量保持率为95.7%。作为一个概念展示，微型ZIB还可为实现自供电机械运动系统提供稳定的动力。总之，本研究为微锌存储系统在寒冷环境中快速制造具有高度有序排列的可逆锌负极提供了启发性的普适性途径。

图2. 全电池的电化学性能和反应动力学研究

3D Cold-Trap Environment Printing for Long-Cycle Aqueous Zn-Ion Batteries, Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202209886

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徐宾刚/赵景新/李宇杰AM: 用于长循环水系锌离子电池的3D冷阱环境打印

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