锂 (Li) 金属负极是锂基电池的重要组成部分，被认为是实现高能量密度锂电池的最佳竞争者。然而，枝晶的发展和其他相关问题严重阻碍了它们的实际应用。研究人员采用静电自组装方法制备高Zeta电位的Ti₃C₂T_x-graphdiyne异质结（MXene-graphdiyne）材料，以加速锂沉积过程中的界面电荷转移。MXene-graphdiyne异质结具有高Zeta电势（-90 mV），通过克服扩散受限电流，促进了锂在其表面上的快速和均匀成核。此外，COMSOL Multiphysics模拟表明，MXene-graphdiyne异质结的高Zeta电势可以大幅减小锂离子浓度梯度，均匀化电场。密度泛函理论（DFT）计算还证明，锂原子在MXene-graphdiyne异质结构上的吸附能为3.4 eV。因此，在0.05 mA cm⁻²条件下，MXene-graphdiyne展示了低过电势（12.4 mV）。此外，MXene-graphdiyne-Li负极在对称电池中展示了长达1400小时的超长循环寿命和高达8 mA cm⁻²的倍率性能。当与LiFeO₄正极组合时，由MXene-graphdiyne-Li负极组成的全电池在5 C条件下循环300次，表现出稳定的循环性能。
 
Fig 1.a) MXene-graphdiyne 和 b) 纯铜箔的锂电镀行为示意图。具有高 zeta 电位的 MXene-graphdiyne 层加速了界面电荷转移，导致均匀的 Li 沉积。
 
Fig 2. a) MXene-graphdiyne 异质结构层的制造过程示意图。b) MXene-graphdiyne 异质结构层的 HRTEM 图像。c）分别为 MXene-graphdiyne 异质结构和 MXene 层的拉曼光谱。d) MXene-石墨二炔异质结构层的高分辨率 C1s XPS 光谱。e）MXene-graphdiyne电荷密度差异的侧视图和俯视图。青色和黄色区域分别表示电子耗尽和积累。MXene-graphdiyne 层的电子局域功能表明在 MXene-graphdiyne超晶胞的界面处 graphdiyne 和 MXene 之间存在化学键合. f) MXene-graphdiyne 层、MXene 和 graphdiyne 的态密度 (DOS) 图像，分别反映了与 MXene 和 graphdiyne 相比，MXene-graphdiyne 在费米能级附近具有更高的密度态。
 
Fig 3. a) MXene-graphdiyne 层、MXene 层和 graphdiyne纳米片在 DOL/DME（1:1 体积）和 1.0% LiNO₃中的 1 M LiTFSI 中的 Zeta 电位。b）分别在 MXene-graphdiyne 层、MXene 层和 Cu 箔上的 Li 成核过电位曲线。c) 锂原子在 MXene-graphdiyne 层、MXene 层和 graphdiyne 纳米片上的计算吸附能。d) 吸收在 MXene-graphdiyne 异质结构层上的 Li 原子的变形电荷密度。COMSOL Multiphysics 模拟 e) MXene-graphdiyne 和 f) Cu 箔阳极在初始 Li 沉积过程中的电场分布。
 
Fig 4. A) 分别在 1.0 mA cm^-2和 1.0 mAh cm^-2下使用 MXene-graphdiyne-Li、MXene-Li、graphdiyne-Li 和 Cu-Li 阳极的对称电池的循环特性。b) MXene-graphdiyne-Li、MXene-Li、graphdiyne-Li 和 Cu-Li 阳极对称电池的倍率性能，电流密度从 0.5 到 8 mA cm^-2不等。c) MXene-graphdiyne-Li 在 0 到 40℃的不同温度下的 EIS 光谱。d) SEI和 e) MXene-graphdiyne 和 Cu 箔表面的电荷转移反应的活化能 ( Ea ) 。
 
Fig 5. a) MXene-graphdiyne-Li//LFP、MXene-Li//LFP、graphdiyne-Li//LFP 和 Cu-Li//LFP 全电池在 0.5C 下的充放电电压曲线。b) MXene-graphdiyne-Li//LFP、MXene-Li//LFP、graphdiyne-Li//LFP 和 Cu-Li//LFP 在 0.2 至 5.0C 的不同倍率下的倍率性能。c) 循环性能和库仑效率5.0C 下的 MXene-graphdiyne-Li//LFP、MXene-Li//LFP、graphdiyne-Li//LFP 和 Cu-Li//LFP 全电池。d）通过 XPS 深度分析，从表面到深度（~50 nm）的 MXene-graphdiyne-Li 中 Li、F、O、C 和 N 的元素组成，表明 F 含量增加到近 28%整个阳极表面。e) 通过 XPS 深度剖析在 Cu-Li 中从表面到深度（~50 nm）的 Li、F、O、C 和 N 的元素组成。f) F1s 的高分辨率 XPS，表明大部分 F 以 LiF 的形式存在，约占 SEI层的 81%。
 
       相关研究工作由北京航空航天大学Yan Li和华北电力大学Meicheng Li课题组于2023年联合发表在《Chemical Engineering Journal》期刊上，原文：High-zeta-potential accelerates interface charge transfer in lithium anodes via MXene-graphdiyne heterojunction layers。

转自《石墨烯研究》公众号