具有均匀孔隙和功能化表面的离子分隔器显示出解决锂金属电池中锂枝晶问题的巨大潜力。在这项研究中，设计并制备了单金属和氮共掺杂的碳-三明治MXene（M-NC@MXene）纳米片，它具有高度有序的纳米通道，直径为10nm。实验和计算验证了M-NC@MXene纳米片可通过以下几种方式消除锂枝晶：（1）通过高度有序的离子通道重新分配锂离子通量；（2）通过杂原子掺杂选择性地传导锂离子和锚定阴离子以延长锂枝晶的成核时间；（3）在常规聚丙烯（PP）隔膜上紧密交错以阻挡锂枝晶的生长路径。因此，采用Zn-NC@MXene涂层的PP隔膜，组装的Li||Li对称电池在3 mA cm^-2的高电流密度和3 mAh cm^-2的高面容量下表现出25 mV的超低过电位，以及1500小时的循环寿命。此外，值得注意的是，它还将能量密度为305 Wh kg^-1的Li||Ni83软包电池的寿命提高了5倍。另外，Li||Li、Li||LiFePO₄、Li||S电池的卓越性能揭示了精心设计的多功能离子分流器在进一步实际应用中的巨大潜力。
 
Fig 1. (a) M-NC@MXene 纳米片的制备示意图。 Zn-NC@MXene 纳米板的形态和结构特征：（b，c）TEM 图像，（d）Cs 校正的 TEM 图像，（e）HAADF 图像和（f-j）相应的 EDS 图案。
 
Fig 2. (a) 裸 PP 和 (b) Zn-NC@MXene/PP 隔板的 SEM 图像（顶视图）。 (c) 裸露的 PP 表面和 Zn-NC@MXene 表面的线性高度扫描曲线。通过不同分隔器在 1 mA cm^-2 下沉积 4 mAh cm^-2 Li 后阳极的 SEM 图像和示意图：(d-f) 裸 PP、(g-i) MXene/PP 和 (j-l) Zn-NC@MXene/PP。
 
Fig 3. (a) 用于 CE 计算的 Li||Cu 半电池中的 Aurbach 方案。 (b) 具有不同分压器的 Li||Li 对称电池的电压-时间曲线，在 3 mA cm^-2 和 3 mAh cm^-2 下循环。 (c) Li||Ni83 软包电池在 15 mA 电流下的循环性能。 (d) Li||Ni83 软包电池照亮发光二极管阵列的图像。 (e) Li||Ni83 软包电池组件示意图。 (f) Li||S (3.2 mg cm⁻²) 电池在不同扫描速率下的 CV 曲线。 (g) Zn-NC@MXene 基、MXene 基和碳基硫阴极 S||S 对称电池在 50 mV s^-1 扫描速率下的 CV 曲线。 (h) Li||S（3.2 mg cm^-2）与 Zn-NC@MXene/PP 分隔器在 1 C（1675 mA g^-1）电流密度下的循环性能。
 
Fig 4. (a) 在具有 vdW 和不具有 vdW 校正的 M-NC@MXene 结构中不同位点上与 Li 原子的结合能。 (b) Ti₃C₂O₂ (Ti₃C₂F₂) 表面的模拟迁移路径和预期迁移网络，以及 (c) 沿模拟路径的相应迁移能量曲线。 (d) 不同活性位点与电解质中不同阴离子的结合能直方图。 (e) Li₂S、Li₂S₂、Li₂S₄、Li₂S₆、Li₂S₈ 和 S₈ 在 Ti₃C₂O₂、Ti₃C₂F₂、5NC 和 6NC 表面上的结合能。 (f) 在孤立状态下或在 Ti₃C₂O₂、Ti₃C₂F₂、5NC 和 6NC 表面将 S₈ 还原为 Li₂S 期间不同反应步骤的相对自由能。
 
       相关研究工作由四川大学Yan Zhao和武汉理工大学Liqiang Mai课题组于2023年联合发表在《ADVANCED MATERIALS》期刊上，原文：Ultra-Uniform and Functionalized Nano-Ion Divider for Regulating Ion Distribution toward Dendrite-Free Lithium Metal Batteries。

转自《石墨烯研究》公众号