Small Science:轻而弥坚——氢键交联构筑超轻高强度MXene气凝胶

高效能量存储技术是我国实现“碳中和”、“碳达峰”、缓解能源危机的重大战略的需求。锂金属电池具有超高的理论能量密度,被誉为储能技术的“圣杯”,但其应用受限于高反应活性金属锂负极枝晶生长引发的电池性能下降与安全风险等问题。基于二维过渡金属碳化物/氮化物的MXene是近年炙手可热的前沿材料之一,在储能、催化、环境、生物、电子、电磁屏蔽、超导、传感、分离技术、超导等诸多领域备受关注。MXene的独特优势在于其兼具从金属性到半导体连续可调的电子结构、丰富的表面化学性质与高机械强度,是构筑高稳定性金属锂负极并调控其沉积行为的理想材料。

基于MXene的独特物理性质与表面化学,大连理工大学王治宇教授与北京化工大学邱介山教授团队针对限制金属锂电池应用的锂金属负极的枝晶瓶颈难题,利用MXene表面含氧官能团与聚乙烯醇分子链之间的氢键交联作用,在室温条件下发展了一种超轻、高强度亲锂MXene气凝胶的简易高效构筑新策略。此类MXene气凝胶具有低于10 mg cm-3的超轻密度与超过99%的孔隙率,机械强度超越常规MXene气凝胶16倍以上,负重更可达其自身重量900倍以上,并继承了MXene的高表面化学活性。当应用于金属锂沉积时,此类超轻、高强度MXene气凝胶可以提供高度暴露的亲锂大界面,表面的含氧、氟极性官能团在分子层面上提供了高度均匀的金属锂成核位点,其高导电性更利于建立均匀的电场以引导金属锂均匀沉积。同时,其丰富的大孔结构也有助于实现高面载量锂金属负极的构筑,高机械强度与抗压缩性质更利于缓冲金属锂沉积过程伴随的的高机械应力。原位光学观测表明,这种超轻、高强度MXene气凝胶可以高效抑制锂枝晶生长并维持稳定的电极界面,基于其构筑的金属锂负极具有1600小时的超长寿命,并可在高达20 mA cm-2的大电流条件下工作。当与商业化磷酸铁锂或硫正极匹配时,构筑的高能量二次电池在大电流条件下的使役寿命得到显著提升。本工作为构筑高稳定金属锂电池提供了新的思路。

上述工作发表在Small ScienceDOI: 10.1002/smsc.202100021),研究工作得到了国家自然科学基金会,辽宁省科技厅,大连市科技局,大连理工大学的共同资助支持。

图1. 超轻、高强度MXene气凝胶的构筑策略与结构
2. 锂金属在超轻、高强度MXene气凝胶表面沉积行为的原位表征

论文信息:

Hydrogen-Bonding Crosslinking MXene to Highly Robust and Ultralight Aerogels for Strengthening Lithium Metal Anode

Xiangyu Meng, Yufeng Sun, Mengzhou Yu, Zhiyu Wang*, Jieshan Qiu*

Small Science

DOI: 10.1002/smsc.202100021

文献连接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smsc.202100021