Small:基于室温液态金属/MXene的柔性锂离子电池负极

经过20多年的发展,锂离子电池正朝着多元化的方向迈进。随着可穿戴、可移动电子装置的快速发展,开发具有柔性的锂离子电池迫在眉睫。柔性锂离子电池应具有轻质、可伸缩、可弯曲、可折叠等特点。传统的基于涂覆工艺的锂离子电池电极比较笨重,这阻碍了它在柔性锂离子电池中的应用。此外,非活性的导电剂和粘结剂的使用降低了电池的柔性和能量密度。在过去的几十年中,为了研发柔性电极,研究者们做了大量的工作,其中一种有效的策略是将传统金属集流体替换为柔性导电基底。碳纳米纤维、碳纳米管、碳布、碳纸、石墨烯、MXene都曾经被用作柔性导电基底来负载活性材料构成柔性锂离子电池电极。MXene是一种二维材料,具有优异的电子电导率、较低的锂离子扩散势垒和良好的机械特性,并被广泛应用于能源存储中。镓基液态金属合金(如GaIn合金,GaInSn合金)由于具有流动性、低熔点、高导电、高表面张力等特性被广泛应用于软机器人、柔性电子、催化、生物医学、传感器、能源存储等领域。

近日,受MXene薄膜的柔性、高导电性和液态金属流动性的启发,山东大学材料科学与工程学院冯金奎教授课题组将室温镓基液态金属与二维MXene巧妙地结合,通过简单的涂覆工艺将3℃ GaInSnZn液态金属合金封装在柔性Ti3C2Tx MXene薄膜上,开发出一种新型的柔性锂离子电池负极。相关研究以“Room-Temperature Liquid Metal Confined in MXene Paper as a Flexible, Freestanding, and Binder-Free Anode for Next-Generation Lithium-Ion Batteries”为题,在线发表于Small(10.1002/smll.201903214)上。

在该研究中,研究者们首先通过LiF和HCl原位刻蚀Ti3AlC2得到Ti3C2Tx悬浮液,然后将一定量的悬浮液真空抽滤获得柔性的MXene膜。由于真空抽滤过程中MXene纳米片的堆叠,该柔性膜的表面被褶皱分割为很多微小的区域。此外,在真空抽滤过程中,在MXene膜上会形成很多孔结构。由于3℃ GaInSnZn液态金属具有良好的流动性,通过简单的涂覆即可将其负载在MXene膜上,从而形成柔性的复合电极。XRD测试表明,3℃ GaInSnZn液态金属以无定型的状态存在。XRD、Raman以及XPS测试表明,液态金属涂覆后,液态金属和MXene的相结构和存在状态没有发生变化,说明两者之间没有副反应,能够相互稳定的存在。接触角测试表明,该复合电极具有良好的电解液浸润性,为完全润湿。电子电导率测试表明,MXene膜的电子电导率为2000 S/cm。液态金属涂覆后,复合电极的电子电导率提高到2500 S/cm,复合电极电子电导率的提高主要归因于液态金属的高导电性。拉伸测试表明,与MXene膜相比,该复合电极的抗张强度变大,脆性变强。孔径分析表明,液态金属涂覆后,孔结构变少,说明部分液态金属流入MXene膜的孔中,阻塞了原有的孔道。该柔性电极表现出优异的电化学性能,在0.01-2.0 V电压范围内,在20, 50, 100, 200, 500, 1000 mA/g的电流密度下,其放电比容量分别为638.79, 507.42, 483.33, 480.22, 452.30, 404.47 mAh/g。将充放电电压区间调整为0.1-1.0 V和0.2-1.0 V时,电池的循环性能得到提高,其中0.2-1.0 V时的循环性能最好。通过研究不同液态金属负载量的柔性电极的电化学性能发现,过高的负载量容易导致较低的放电比容量,这是因为负载量过高导致液态金属活性物质利用不充分。将液态金属涂覆到铜箔上时,XRD测试表明,液态金属能够与铜发生合金化反应产生CuGa2中间相化合物,该复合电极的电化学性能受到限制。研究者们认为,通过采用先进的涂覆技术或改善电解液可以进一步提高该柔性电极的电化学性能。