具有高比容量（5855 mAh cm-3）和低還原電位（-0.762 V vs標(biāo)準(zhǔn)氫電極）的水系鋅離子電池（AZIBs）在各種電池系統(tǒng)中引起了極大的興趣。更重要的是，在水系電解液中，鋅金屬負(fù)極比其他金屬負(fù)極（如堿金屬、鎂、鋁等）可獲得更多的平衡動(dòng)力學(xué)。
然而，即使在弱酸性電解液中，鋅金屬負(fù)極仍然存在嚴(yán)重的析氫、鈍化反應(yīng)和不受控制的枝晶，從而無法原位形成固態(tài)電解質(zhì)界面。因此，其面臨庫侖效率（CE）低，循環(huán)壽命短等問題。3D主體可以有效地減緩鋅金屬負(fù)極的枝晶生長。然而，使用3D基體增加的電極/電解質(zhì)反應(yīng)面積會(huì)加速負(fù)極界面的鈍化和腐蝕，從而降低電化學(xué)性能。
鑒于此，受表面和結(jié)構(gòu)改變的啟發(fā)，北京理工大學(xué)陳人杰教授、謝嫚副教授采用可折疊3D MXene(Ti3C2Tx)和石墨烯氣凝膠(GA)，借助定向冷凍法構(gòu)建了一種柔性的MXene/石墨烯支架（MGA），以用作鋅封裝的高度親鋅支架。基于結(jié)構(gòu)中豐富的親鋅特性和微孔，鋅通過電沉積過程被致密地包裹在主體內(nèi)部。結(jié)果，獲得了非常穩(wěn)定的復(fù)合鋅負(fù)極。這種以3D微尺度方式進(jìn)行的新型封裝設(shè)計(jì)為構(gòu)建穩(wěn)定的鋅基負(fù)極提供了新思路。
文章要點(diǎn)：
1、在循環(huán)過程中，由于MXene中固有的氟終止，復(fù)合負(fù)極在電極/電解質(zhì)界面處產(chǎn)生了富含氟化鋅的原位固態(tài)電解質(zhì)界面，可有效抑制枝晶生長。
2、這種新型復(fù)合結(jié)構(gòu)通過簡單的電沉積以3D微尺度方式實(shí)現(xiàn)了密集堆積的塊狀鋅。原位/非原位測試表明，以3D微尺度方式分布的塊狀鋅設(shè)計(jì)抑制了循環(huán)過程中的非活性副產(chǎn)物Zn(OH)2-4和析氫反應(yīng)（僅3.8 mmol h-1 cm-2）。
3、在對稱電池測試中，復(fù)合電極在10 mA cm-2下實(shí)現(xiàn)了超過1000小時(shí)的長循環(huán)壽命。并且在連續(xù)單折疊和雙折疊之后，具有復(fù)合負(fù)極和LiMn2O4正極（60%放電深度）的準(zhǔn)固態(tài)可折疊電池保持可超過91%的高容量保持率。
圖1 MXene/石墨烯支架的制備及表征
圖2 半電池性能
圖3 LMO//MGA@Zn全電池的性能
