移动电子和电动汽车的快速发展对高比能密度的可充电电池提出了更高的需求。锂（Li）金属被认为是最有利的阳极，因为它具有高比容量（3860 mAh g−1）和低电化学电位（−3.04 V vs RHE）。然而，金属锂的高反应性和锂枝晶的生长通常会导致死锂的持续形成和电解质的消耗，这不仅导致活性物质的损失和循环寿命的缩短，还构成严重的安全风险。
北京航空航天大学宫勇吉教授、杨树斌教授和电子科技大学张晓琨副研究员等人合作在Advanced Energy Materials上发表文章，Vertically Aligned MXene Nanosheet Arrays for High-Rate Lithium Metal Anodes，利用垂直排列的MXene纳米片来诱导锂的沉积，实现了非常均匀的锂形貌，并且在锂剥离后没有死锂的形成。为了获得Ti3C2Tx纳米片阵列作为垂直对齐的宿主电极，采用了冰模板辅助刮刀涂层方法。如图1a所示，首先通过将剥离的MXene粉末分散到去离子水中制备了高浓度的Ti3C2Tx浆料。然后，将Ti3C2Tx浆倒在铜箔上，铜箔放在冷盘上。并使用厚度可调的刮刀来铺开浆液。随着垂直生长的冰生成在寒冷的表面上，Ti3C2Tx纳米片被迫在冰晶之间的边界垂直对齐。最后，冷冻的Ti3C2Tx纳米片被冷冻干燥以获得v-Ti3C2Tx。值得注意的是，控制冷板的温度可能会影响冰晶的形状和大小，这导致MXene纳米片以不同的方式聚集。作者还应用对比实验来说明冰模板在合成Ti3C2Tx垂直对齐中的重要性。当溶剂被N-甲基吡咯烷酮（NMP）取代或冷冻干燥被室温下的真空干燥取代时，无法获得垂直结构。图1. v-Ti3C2Tx电极的合成与表征SEI层对于避免锂和电解质之间的连续副反应以及调节锂金属阳极中金属锂的成核和生长至关重要。得益于这种垂直结构的低曲率和MXene纳米片上丰富的-F和-O基团，在激活过程中，可以在v-Ti3C2Tx电极表面形成均匀的SEI层。XPS测试表明各种SEI物种，包括有机成分（R-OCO2Li）和无机成分（Li2O、LiF和Li2CO3），均匀分布在v-Ti3C2Tx电极上，这有利于锂的均匀沉积。图2. 不同电极上SEI层的研究垂直结构的低曲率不仅可以有效地均匀化锂离子通量和电场，还丰富了锂沉积的活性表面积。此外，Ti3C2Tx表面形成均匀的SEI层，可以导致较低的成核能垒和电荷转移能垒。与水平结构相比，具有均匀SEI层的垂直Ti3C2Tx电极可以实现无枝晶锂沉积，并在锂循环中保持结构稳定。图3. 电镀/剥离过程中不同电极形态的演变图4. 不同电极下锂离子在集流体上沉积的COMSOL模拟，（a）v-Ti3C2Tx电极; b) h-Ti3C2Tx电极因此，在1 mA cm-2的电流密度和1.0 mAh cm−2的固定面容量下，450多个循环中v-Ti3C2Tx电极的平均CE达到98.8%。即使将面容量提高到5 mAh cm-2，稳定的锂沉积/剥离行为也可以在150多个周期内保持98.5%的高平均CE。当与LiFePO4阴极配对时，整个电池表现出非凡的循环寿命。与Li@h-Ti3C2Tx||LFP在120个周期后的快速容量衰减相比，Li@v-Ti3C2Tx||LFP实现了0.5C下300个周期的稳定循环性能。图5. 电化学性能测试本文所展示的这种独特的设计，成功地实现了低曲率结构与SEI层改性的完美结合，为加快锂金属阳极的发展提供了可行的方法。
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Vertically Aligned MXene Nanosheet Arrays for High-Rate Lithium Metal Anodes. Adv. Energy Mater. 2022, 2200072
