可充电镁电池 (RMB) 是很有前途的下一代低成本高能设备。在所有 RMB 中，使用原位镀镁集流体作为负极的无阳极镁金属电池可以提供最佳的能量密度。然而，迄今为止，无阳极镁金属电池仍然难以捉摸，因为传统阳极集电器上的镁沉积不均匀，导致实际应用受到低 Mg 电镀/剥离效率的困扰。在此，首次成功构建了无负极镁金属电池，采用 3D MXene（Ti3C2Tx) 具有 Mg 水平外延电沉积的薄膜。MXene 中的嗜镁氧和活性氟端基可在 Ti3C2Tx薄膜表面上增加局部镁离子浓度和持久的富含氟化镁的固体电解质界面。同时，Ti3C2Tx MXene 表现出与 Mg 的高晶格几何拟合 (≈96%) 以引导 Mg 水平外延电沉积。因此，开发的 Ti3C2Tx薄膜在高电流密度（5.0 mA cm^-2) 和高 Mg 利用率 (50%) 条件。当这种 Ti3C2Tx薄膜与预磁化的 Mo₆S₈阴极耦合时，无阳极镁金属全电池原型的体积能量密度是其标准镁金属对应物的五倍。这项工作为阳极集电器的合理设计提供了见解，以指导无阳极镁金属电池的镁水平外延电沉积。
 
Fig 1. 基于 MXene 的无阳极镁金属电池的概念。a) 使用 Mg 金属阳极的标准电池示意图，b) 使用 MXene 薄膜作为阳极集电器的无阳极电池示意图。c) Cu 上多孔 Mg 沉积行为的图示。d) Ti3C2Tx MXene 薄膜上 Mg水平外延 沉积行为的图示，源于固有的氧和氟表面终端和独特的晶体结构，允许高 Mg²⁺离子吸附能力使界面 Mg²⁺通量均匀化，形成富含 MgF₂的耐用 SEI，以及与 Mg 的高晶格匹配。
 
Fig 2. 亲镁 Ti3C2Tx MXene 薄膜表面的均匀浓度分布。a) 横截面 SEM 图像和 b,c) 高分辨率 b) F 1s 和 c) Ti3C2Tx薄膜的 O 1s XPS 光谱。d) Mg 原子在 O- 、OH- 和 F- 端基 Ti3C2Tx上的吸附能和微分电荷密度和铜表面。此处，浅蓝色、棕色、红色、浅粉色、灰色和蓝色球分别代表 Ti、C、O、H、F 和 Cu 元素。黄色和蓝色区域分别代表电荷积累和损失。等值面水平分别设置为 0.0059、0.0012、0.0002 和 0.0024 e Bohr^-3。e,f)电流密度为 1.0 mA cm^-2时，(e) 2D Cu 箔和 (f) 3D Ti3C2Tx薄膜上 Mg²⁺离子浓度分布的 COMSOL 模拟。
 
Fig 3. Ti3C2Tx MXene 薄膜表面的Mg水平外延电沉积。a) 沿 (002)  -O、 -OH、-F 终止的 Ti3C2Tx平面的原子排列和 b) 它们的晶格几何与 Mg 不匹配。此处，浅蓝色、棕色、红色、浅粉色和灰色球分别代表 Ti、C、O、H 和 F 元素。c,d) Ti3C2Tx薄膜在电镀(c) 0.5 和(d) 1.0 mAh cm^-2 Mg at 1.0 mA cm^-2后的SEM图像和相应的映射结果. e) 在 1.0 mA cm-2电镀 1.0 mAh cm^-2 Mg后铜箔的 SEM 图像和相应的映射结果。
 
Fig 4. 在 Ti3C2Tx MXene 薄膜表面形成富含 MgF₂的 SEI 层。a) 高分辨率 F 1s XPS 光谱，b,c) TOF-SIMS 2D 重建的 MgF^- 碎片分布， d) 深度剖面和 e,f)从 Ti3C2T表面检测到的MgF^-的 3D 重建分布x初始电镀后的膜 1.0 mA cm^-2的 Mg 1.0 mA cm^-2。g) F-terminated Ti3C2Tx表面分子动力学计算在 300 K 存在 Mg 的情况下。这里，绿色、浅蓝色、棕色和灰色的球分别代表 Mg、Ti、C 和 F元素。
 
      相关研究工作由新加坡科技研究局Seh Zhi Wei和浙江大学Jun Lu课题组于2023年联合发表在《Advanced Functional Materials》期刊上，原文：MXene-Based Anode-Free Magnesium Metal Battery。

转自《石墨烯研究》公众号