鄭州大學：3D打印V2CTxrGO-CNT MXene氣凝膠，用于高容量鈉金屬負極

來源：北京永康樂業(yè)

鈉金屬負極具有高理論容量，低氧化還原電位，鈉資源豐富并且價格低廉，逐漸成為當前能源領(lǐng)域的研究熱點。然而，由于在反復嵌入/嵌出過程中鈉枝晶的生長導致的低庫倫效率及容量衰減等問題限制了鈉金屬電池的實際應用。MXene作為新型的二維層狀材料，具有高導電性，豐富的表面官能團，良好的親水性等特點，受到越來越多的關(guān)注。到目前為止，MXene在鈉金屬負極的研究主要集中在Ti3C2(或Ti3C2Tx)及其衍生物上，其它MXene很少涉及。因此有必要嘗試更多的MXene用于鈉金屬負極，同時利用原位、非原位測試以及計算相結(jié)合的手段系統(tǒng)深入的研究鈉金屬在MXene上沉積的電化學行為，提高鈉金屬負極電化學性能。

近日，鄭州大學王燁教授，徐俊敏副教授和新加坡科技與設(shè)計大學楊會穎教授合作采用3D打印技術(shù)制備了三維分級多孔結(jié)構(gòu)V2CTx/rGO-CNT微網(wǎng)格氣凝膠作為鈉金屬負極電極。采用原位TEM和原位光學顯微成像技術(shù)，非原位SEM表征及密度泛函理論模擬技術(shù)(DFT)研究了V2CTx MXene引導鈉沉積的熱力學和動力學行為機制。

圖1. 3D打印V2CTx/rGO-CNT微格氣凝膠電極制備示意圖。

利用3D打印技術(shù)制備V2CTx MXene微網(wǎng)格結(jié)構(gòu)應用于鈉金屬負極，具有以下特點：（1）3D打印V2CTx/rGO-CNT分級多孔結(jié)構(gòu)骨架具有大比表面積，可以有效降低電流密度以及提供豐富的鈉金屬成核位點，抑制鈉枝晶。此外，3D打印可以方便的制備人工可調(diào)厚度，有效提高鈉金屬負極面容量。（2）3D打印的V2CTx/rGO-CNT相互連通的導電骨架提高電子導電能力，分級有序人工多孔結(jié)構(gòu)有效加速離子傳輸速率，提高反應動力學。具有一定機械強度的3D打印骨架為整個電極提供了強有力的支撐，保證在循環(huán)過程中電極的完整性。（3）更加重要的是，V2CTx MXene具有豐富的官能團（-O，-F），通過DFT計算表明這些官能團和Na有強的結(jié)合能，比如F-Na之間的結(jié)合能是-0.77 eV, O-Na的結(jié)合能是-1.02 eV，而graphene-Na的結(jié)合能僅為-0.06 eV。因此V2CTx MXene具有極高的親鈉性，可以有效引導鈉金屬均勻沉積。（4）利用原位TEM測試表明鈉金屬在V2CTx /rGO-CNT的沉積是通過rGO傳輸，以V2CTx MXene納米片為中心成核，不斷長大并與周圍的鈉金屬不斷融合的過程。通過原位光學和非原位SEM證明了3D打印V2CTx/rGO-CNT能夠有效抑制鈉枝晶。

圖2. 3D V2CTx/rGO-CNT微網(wǎng)格電極的結(jié)構(gòu)表征。

電化學測試結(jié)果表明，所制備的Na@V2CTx/rGO-CNT負極能夠在2 mA cm-2，10 mAh cm-2下穩(wěn)定循環(huán)3000小時。并且能夠在5 mA cm-2, 50 mAh cm-2的大容量下穩(wěn)定循環(huán)900小時以上。相關(guān)研究成果以“3D-Printed Sodiophilic V2CTx/rGO-CNT MXene Microgrid Aerogel for Stable Na Metal Anode with High Areal Capacity”為題發(fā)表在國際頂級期刊ACS Nano上。鄭大2020級碩士研究生王子璇為本文第一作者。鄭州大學王燁教授，徐俊敏副教授和新加坡科技與設(shè)計大學楊會穎教授為共同通訊作者。

圖3. V2CTx/rGO-CNT電極的電化學性能測試。

圖4. 非原位SEM測試和原位光學顯微成像研究鈉金屬負極在V2CTx/rGO-CNT電極上的沉積行為。

圖5. 利用原位TEM分析鈉金屬在V2CTx/rGO-CNT電極上沉積過程中形貌演變過程。利用DFT計算Na與C(石墨烯)、F(V2CF)和O(V2CO)的結(jié)合能。

通過3D打印技術(shù)設(shè)計的V2CTx/rGO-CNT微網(wǎng)格電極具有分級多孔結(jié)構(gòu)，其提供了較大的比表面積來降低電流密度，在電鍍/剝離過程中保持了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。V2CTx MXene表面的官能團具有良好的親鈉性，能夠有效的引導鈉的均勻沉積和生長。因此所制備的V2CTx/rGO-CNT作為鈉金屬負極表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能。該工作不僅闡明了親鈉V2CTx/rGO-CNT微格氣凝膠電極上優(yōu)越的鈉沉積化學，而且為利用3D打印方法制備先進的鈉金屬負極提供了一種新的途徑。

文章鏈接：http://www.biofabrication.cn/a/news/xueshu/2022/1019/1075.html