山大冯金奎ACS Nano: 掺硫3D MXene/ZnS异质结作为无枝晶锌离子电池保护层

由于其高理论容量、合适的工作电位、丰富的资源、本质安全性和低成本，锌（Zn）金属被认为是最有前途的水系电池负极之一。然而，枝晶生长和副反应造成的危害阻碍了其实际应用。

为了解决这些问题，山东大学冯金奎教授等人设计并构建了由电子导电硫掺杂三维 (3D) MXene（Ti₃C₂T_x）骨架和离子导电ZnS在Zn负极上组成的异质保护层（S/MX@ZnS@Zn）。

在生成ZnS的过程中同时实现了硫掺杂和MXene 3D结构的创建。掺硫3D MXene可以有效地均匀电场分布，降低局部电流密度，减轻体积变化。ZnS能抑制副反应，促进Zn²⁺的均一化分布，加速Zn²⁺迁移。

图1. 不同温度下S/ MX@ZnS@ Zn的制备示意图

因此，基于这种保护层的Zn||Zn 对称电池实现了稳定且无枝晶的锌负极，具有长达 1600 小时的显著循环稳定性和倍率性能。

作者还探讨了保护层结构与锌负极性能之间的关系，使用受保护的锌负极和独立的硫掺杂 3D MXene@MnO₂正极，可以获得高能量、长循环寿命和高倍率的全电池。这项工作可能为实用的锌负极和其他金属基电池系统的设计提供方向。

图2. Zn||MnO₂全电池的电化学性能

Rational Design of Sulfur-Doped Three-Dimensional Ti₃C₂T_x MXene/ZnS Heterostructure as Multifunctional Protective Layer for Dendrite-Free Zinc-Ion Batteries, ACS Nano 2021. DOI: 10.1021/acsnano.1c05934

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山大冯金奎ACS Nano: 掺硫3D MXene/ZnS异质结作为无枝晶锌离子电池保护层

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