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山大馮金奎ACS Nano: 摻硫3D MXene/ZnS異質結作為無枝晶鋅離子電池保護層

由于其高理論容量、合適的工作電位、豐富的資源、本質安全性和低成本，鋅（Zn）金屬被認為是最有前途的水系電池負極之一。然而，枝晶生長和副反應造成的危害阻礙了其實際應用。

為了解決這些問題，山東大學馮金奎教授等人設計并構建了由電子導電硫摻雜三維 (3D) MXene（Ti₃C₂T_x）骨架和離子導電ZnS在Zn負極上組成的異質保護層（S/MX@ZnS@Zn）。

在生成ZnS的過程中同時實現了硫摻雜和MXene 3D結構的創建。摻硫3D MXene可以有效地均勻電場分布，降低局部電流密度，減輕體積變化。ZnS能抑制副反應，促進Zn²⁺的均一化分布，加速Zn²⁺遷移。

圖1. 不同溫度下S/ MX@ZnS@ Zn的制備示意圖

因此，基于這種保護層的Zn||Zn 對稱電池實現了穩定且無枝晶的鋅負極，具有長達 1600 小時的顯著循環穩定性和倍率性能。

作者還探討了保護層結構與鋅負極性能之間的關系，使用受保護的鋅負極和獨立的硫摻雜 3D MXene@MnO₂正極，可以獲得高能量、長循環壽命和高倍率的全電池。這項工作可能為實用的鋅負極和其他金屬基電池系統的設計提供方向。

圖2. Zn||MnO₂全電池的電化學性能

Rational Design of Sulfur-Doped Three-Dimensional Ti₃C₂T_x MXene/ZnS Heterostructure as Multifunctional Protective Layer for Dendrite-Free Zinc-Ion Batteries, ACS Nano 2021. DOI: 10.1021/acsnano.1c05934

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