3D打印親鈉MXene氣凝膠，實現高面容量鈉電池

【背景介紹】

金屬鈉具有理論容量高、成本低、資源豐富等特點，已成為鈉離子電池理想的負極材料。然而，鈉金屬負極的真正可行性仍然受到不受控制的鈉枝晶問題的阻礙。

【成果簡介】

鑒于此，鄭州大學王燁教授等人通過直接墨水書寫3D打印技術制造了一種人工三維（3D）分層多孔親水性V2CTx/rGO-CNT微網格氣凝膠，并進一步用作Na金屬的基底以制備Na@V2CTx/rGO-CNT鈉金屬負極。V2CTx/rGO-CNT電極可實現超過3000小時（2 mA cm-2、10 mAh cm-2）的優異循環壽命，平均庫侖效率為99.54%。更有吸引力的是，它甚至可以在5 mA cm-2下穩定運行超過900小時，具有50 mAh cm-2的超高面積容量。原位和非原位表征和密度泛函理論模擬分析證明，具有豐富親鈉官能團的V2CTx可以有效引導鈉金屬成核和均勻沉積，從而實現無枝晶形貌。此外，將 Na@V2CTx/rGO-CNT負極與Na3V2(PO4)3@C-rGO正極配對的全電池可以在100 mA g-1下循環400次后提供86.27 mAh g-1的高可逆容量。這項工作不僅闡明了親鈉性V2CTx/rGO-CNT微網格氣凝膠電極上優異的鈉沉積化學，而且還提供了一種通過3D打印方法制造先進的鈉金屬負極的方法。相關論文成果以“3D-Printed Sodiophilic V2CTx/rGO-CNT MXene Microgrid Aerogel for Stable Na Metal Anode with High Areal Capacity”為題于2022年6月6日發表在ACS NANO上。

【全文導讀】

圖1所示：3D打印的V2CTx/rGO-CNT微網格氣凝膠電極的制備過程示意圖。

圖2所示：(a-c)30% V2CTx/rGO-CNT微網格氣凝膠的SEM圖像。(d)V2CTx/rGO-CNT納米復合材料的TEM和(e)HRTEM圖像。(f)V2CTx/rGO-CNT微網格氣凝膠橫截面的SEM和相應的EDS元素映射。(g)rGO-CNT、V2CTx和V2CTx/rGO-CNT納米復合材料的XRD圖譜。(h)V2CTx MXene和V2CTx/rGO-CNT的XPS光譜。(i)rGO-CNT和V2CTx/rGO-CNT納米復合材料的TGA曲線。

圖3所示：二維平面銅箔、rGO-CNT和不同V2CTx/rGO-CNT電極上Na金屬電鍍/剝離的電化學性能。(a)電極在2 mA cm-2和1 mAh cm-2下的CE。(b)各種電極在0.5至 8 mA cm-2的電流密度下的倍率性能，電鍍/剝離持續時間為1小時。(b)中的插圖顯示了銅箔電極的短路。(c)rGO-CNT和(d)30% V2CTx/rGO-CNT微柵電極在不同電流密度下的電壓-容量曲線。(e)在不同電流密度下每個電極的成核過電位。30% V2CTx/rGO-CNT電極在(f) 2 mA cm-2和10 mAh cm-2和(g)5 mA cm-2和50 mAh cm-2下的循環性能。(h)具有3D打印石墨烯基基底的鈉金屬負極和(i)不同基于MXene的鈉金屬負極的電化學性能比較雷達圖。

圖4所示：(a-f)在3D打印的V2CTx/rGO-CNT電極上沉積和剝離Na的形貌演變。(g)相應的沉積-剝離曲線。(h)在V2CTx/rGO-CNT電極上以1 mA cm-2電流密度沉積2小時的Na的原位光學顯微鏡圖像。

圖5所示：(a)原位TEM裝置示意圖。(b)V2CTx/rGO-CNT鍍鈉過程的原位TEM快照。(c)原始V2CTx/rGO-CNT和(d)鈉沉積后的SAED圖案。(e)鈉沉積過程的示意圖。基于DFT計算的Na和(f)C(石墨烯)、(g)F(V2CF)和(h)O(V2CO)之間的結合能。

圖6所示：Na@V2CTx/rGO-CNT||NVP@C-rGO全電池的電化學性能評價。(a)全電池的示意圖。(b)NVP@C-rGO正極和Na@V2CTx/rGO-CNT負極的恒電流充放電(GCD)曲線。(c)100 mA g-1電流密度充滿電池的GCD曲線。(d)在100-2000 mA g-1的電流密度范圍內，全電池的倍率性能。(e)全電池在100 mA g-1電流密度下的循環性能和對應CE。

【論文鏈接】

Zixuan Wang, Zhenxin Huang, Hui Wang, Weidong Li, Bingyan Wang, Junmin Xu, Tingting Xu, Jinhao Zang, Dezhi Kong, Xinjian Li, Hui Ying Yang, and Ye Wang, 3D-Printed Sodiophilic V2CTx/rGO-CNT MXene Microgrid Aerogel for Stable Na Metal Anode with High Areal Capacity, ACS NANO, 2022.

https://doi.org/10.1021/acsnano.2c01186