鑒于此， 四川大學(xué) 趙焱教授 、武漢理工大學(xué) 麥立強(qiáng)教授 、江漢大學(xué) 李兆槐博士 等 設(shè)計(jì)并制備了單金屬和氮共摻雜的碳-三明治MXene（M-NC@MXene）納米片，它具有高度有序的納米通道，直徑為10nm。實(shí)驗(yàn)和計(jì)算驗(yàn)證了M-NC@MXene納米片可通過(guò)以下幾種方式消除鋰枝晶： （1）通過(guò)高度有序的離子通道重新分配鋰離子通量；（2）通過(guò)雜原子摻雜選擇性地傳導(dǎo)鋰離子和錨定陰離子以延長(zhǎng)鋰枝晶的成核時(shí)間；（3）在常規(guī)聚丙烯（PP）隔膜上緊密交錯(cuò)以阻擋鋰枝晶的生長(zhǎng)路徑。因此，采用Zn-NC@MXene涂層的PP隔膜，組裝的Li||Li對(duì)稱電池在3 mA cm ^-2 的高電流密度和3 mAh cm ^-2 的高面容量下表現(xiàn)出25 mV的超低過(guò)電位，以及1500小時(shí)的循環(huán)壽命。此外，值得注意的是，它還將能量密度為305 Wh kg ^-1 的Li||Ni83軟包電池的壽命提高了5倍。另外，Li||Li、Li||LiFePO ₄ 、Li||S電池的卓越性能揭示了精心設(shè)計(jì)的多功能離子分流器在進(jìn)一步實(shí)際應(yīng)用中的巨大潛力。

文章要點(diǎn)：

1. 這項(xiàng)工作提出了一種具有同質(zhì)納米通道的多功能鋰離子流分流器，以實(shí)現(xiàn)無(wú)枝晶的鋰負(fù)極。該鋰離子分流器由中間厚度約為5納米的二維MXene片和兩邊包裹的單金屬和亞硝酸鹽共摻雜的碳組成（標(biāo)記為M-NC@MXene）。

3. 這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)在納米尺度上擁有超均勻的垂直離子通道。此外，單金屬的電解液電阻很低，與Li的親和力很高，作為強(qiáng)陽(yáng)性位點(diǎn)可以將陰離子固定在電解液中。根據(jù)眾所周知的Sand方程，這會(huì)降低陰離子在負(fù)極表面附近的轉(zhuǎn)移數(shù)，抑制電解液溶劑的分解，從而提高SEI穩(wěn)定性，并推遲鋰枝晶的初始生長(zhǎng)時(shí)間。

3. 通過(guò)將Zn-NC@MXene涂層的聚丙烯（PP）隔膜與Li||NCM電池系統(tǒng)相匹配，所得軟包電池實(shí)現(xiàn)了305 Wh kg ^-1 的能量密度，顯示了穩(wěn)定的循環(huán)，延長(zhǎng)了5倍的使用壽命。

4. 值得注意的是，在Li||S電池中，M-NC@MXene的單金屬原子促進(jìn)了鋰離子的傳輸，選擇性地阻斷了電負(fù)性多硫化物的通過(guò)，并催化了多硫化物的轉(zhuǎn)化。

圖1 材料制備及表征

圖2 Zn-NC@MXene/PP的表征

圖3 電化學(xué)性能研究

圖4 M-NC@MXene納米片功能的DFT驗(yàn)證

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