鄭州大學：3D打印親鈉MXene氣凝膠助力高面容量的穩(wěn)定鈉金屬負極！

來源：高分子科學前沿

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

近日， 鄭州大學 王燁教授 、 徐俊敏副教授 、新加坡科技設計大學(SUTD) 楊會穎副教授 通過直接墨寫3D打印技術制備了一種人工三維分級多孔親鈉性V2CTx/rGO-CNT微網(wǎng)格氣凝膠，并進一步將其用作Na金屬的基體以獲得Na@V2CTx/rGO-CNT鈉金屬負極 。實驗顯示，V2CTx/rGO-CNT電極可在2 mA cm-2、10 mAh cm-2下產(chǎn)生超過 3000小時的優(yōu)異循環(huán)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和50 mAh cm-2的超高面容量下穩(wěn)定運行超過900小時。此外，將Na@V2CTx/rGO-CNT負極與 Na3V2(PO4)3@C-rGO 正極配對的全電池可在100 mA g-1下循環(huán)400次后提供 86.27 mAh g-1的高可逆容量。總之，這項工作不僅闡明了親鈉性 V2CTx/rGO-CNT微網(wǎng)格氣凝膠電極上優(yōu)異的鈉沉積化學，而且還提供了一種通過3D打印方法制備先進鈉金屬負極的方法。

文章要點：

1. 作者通過3D打印技術成功制備了一種V2CTx/rGO-CNT微網(wǎng)格氣凝膠，并進一步將其用作鈉金屬負極的基質(zhì)。

2. 這種3D打印的V2CTx/rGO-CNT微網(wǎng)格具有以下優(yōu)勢：（1）大的比表面積可以顯著降低電流密度并為鈉沉積提供豐富的成核中心；（2）3D打印的人工分級多孔結構不僅促進了電解液的滲透，保證了電解液與活性材料的緊密接觸，而且大大提高了離子傳輸速率，緩解了電極體積膨脹；（3）原位TEM、原位SEM、原位光學顯微鏡和密度泛函理論(DFT)模擬結果證實，親鈉性V2CTx MXene納米薄片與鈉離子具有高結合能，可有效提高Na成核和沉積穩(wěn)定性。

3. 所有這些綜合分析為通過先進3D打印技術來提高鈉金屬負極的循環(huán)穩(wěn)定性而制備親鈉MXene基質(zhì)提供了深入的見解。

圖1 3D打印V2CTx/rGO-CNT微網(wǎng)格氣凝膠電極的制備過程


圖2 V2CTx/rGO-CNT的形貌和結構表征


圖3 不同電極上Na金屬沉積/剝離的電化學性能


圖4 鈉沉積/剝離形態(tài)


圖5 全電池性能

原文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.2c01186