山大冯金奎ACS Nano: 亲锌MXene/多孔氧化物隔膜实现高度可逆Zn负极

水系锌离子电池因其高安全性、低成本和环境友好性而被认为是大规模储能系统的有希望候选者。然而，锌负极的枝晶问题阻碍了其实际应用。

在此，山东大学冯金奎教授等人设计了一种独立、轻质、亲锌的MXene/纳米多孔NiO异质结构工程隔膜，以实现超稳定的无枝晶金属负极并抑制副反应。具体而言，其优点可归纳为：

（1）一步减压蒸馏得到的纳米多孔NiO具有比表面积大、孔隙率高、多孔结构均匀的特点，有效降低了局部电流密度；

（2）基于该方法，从商业前驱体制备了一系列纳米多孔氧化物（CoO、CuO、MgO、In₂O₃、TiO₂等）；

（3）MXene@NiO层可以降低Zn沉积的成核过电位，通过降低Zn²⁺浓度梯度促进离子传输，使电场分布均匀以调节Zn沉积；

（4）MXene@NiO层的亲锌特性有利于促进均匀的Zn离子通量。

图1. MXene@NiO改性隔膜的合成过程示意图

因此，设计的隔膜可以保证均匀的锌沉积，具有高可逆性并抑制副反应。基于改性隔膜的Zn||Zn电池在1 mA cm^-2 、1 mAh cm^-2和2 mA cm^-2、2 mAh cm^-2 的条件下实现了长达2400小时的稳定循环，甚至在10 mA cm^-2、10 mAh cm^-2的严苛条件下也能实现500小时的出色Zn电镀/剥离循环。

进一步，作者组装了具有柔性NS/MXene@MnO₂正极的全电池来评估改性隔膜的实际应用，该电池在5 A g^-1下1400次循环后的容量为194.5 mAh g^-1，对应于每循环0.0047%的容量衰减。此外，该策略还可以扩展到锂、钠、钾和镁金属电池，在金属电池等领域具有巨大的应用价值，为大规模制造高质量的多孔氧化物提供一种简便的通用方法。

图2. 基于改性隔膜的Zn||NS/MXene@MnO₂全电池的电化学性能

Highly Reversible Zn Metal Anodes Enabled by Freestanding, Lightweight, and Zincophilic MXene/Nanoporous Oxide Heterostructure Engineered Separator for Flexible Zn-MnO₂ Batteries, ACS Nano 2022. DOI: 10.1021/acsnano.2c01571