【背景介绍】

金属钠具有理论容量高、成本低、资源丰富等特点，已成为钠离子电池理想的负极材料。然而，钠金属负极的真正可行性仍然受到不受控制的钠枝晶问题的阻碍。

【成果简介】

鉴于此，郑州大学王烨教授等人通过直接墨水书写3D打印技术制造了一种人工三维（3D）分层多孔亲水性V2CTx/rGO-CNT微网格气凝胶，并进一步用作Na金属的基底以制备Na@V2CTx/rGO-CNT钠金属负极。V2CTx/rGO-CNT电极可实现超过3000小时（2 mA cm-2、10 mAh cm-2）的优异循环寿命，平均库仑效率为99.54%。更有吸引力的是，它甚至可以在5 mA cm-2下稳定运行超过900小时，具有50 mAh cm-2的超高面积容量。原位和非原位表征和密度泛函理论模拟分析证明，具有丰富亲钠官能团的V2CTx可以有效引导钠金属成核和均匀沉积，从而实现无枝晶形貌。此外，将 Na@V2CTx/rGO-CNT负极与Na3V2(PO4)3@C-rGO正极配对的全电池可以在100 mA g-1下循环400次后提供86.27 mAh g-1的高可逆容量。这项工作不仅阐明了亲钠性V2CTx/rGO-CNT微网格气凝胶电极上优异的钠沉积化学，而且还提供了一种通过3D打印方法制造先进的钠金属负极的方法。相关论文成果以“3D-Printed Sodiophilic V2CTx/rGO-CNT MXene Microgrid Aerogel for Stable Na Metal Anode with High Areal Capacity”为题于2022年6月6日发表在ACS NANO上。

【全文导读】

图1所示：3D打印的V2CTx/rGO-CNT微网格气凝胶电极的制备过程示意图。

图2所示：(a-c)30% V2CTx/rGO-CNT微网格气凝胶的SEM图像。(d)V2CTx/rGO-CNT纳米复合材料的TEM和(e)HRTEM图像。(f)V2CTx/rGO-CNT微网格气凝胶横截面的SEM和相应的EDS元素映射。(g)rGO-CNT、V2CTx和V2CTx/rGO-CNT纳米复合材料的XRD图谱。(h)V2CTx MXene和V2CTx/rGO-CNT的XPS光谱。(i)rGO-CNT和V2CTx/rGO-CNT纳米复合材料的TGA曲线。

图3所示：二维平面铜箔、rGO-CNT和不同V2CTx/rGO-CNT电极上Na金属电镀/剥离的电化学性能。(a)电极在2 mA cm-2和1 mAh cm-2下的CE。(b)各种电极在0.5至 8 mA cm-2的电流密度下的倍率性能，电镀/剥离持续时间为1小时。(b)中的插图显示了铜箔电极的短路。(c)rGO-CNT和(d)30% V2CTx/rGO-CNT微栅电极在不同电流密度下的电压-容量曲线。(e)在不同电流密度下每个电极的成核过电位。30% V2CTx/rGO-CNT电极在(f) 2 mA cm-2和10 mAh cm-2和(g)5 mA cm-2和50 mAh cm-2下的循环性能。(h)具有3D打印石墨烯基基底的钠金属负极和(i)不同基于MXene的钠金属负极的电化学性能比较雷达图。

图4所示：(a-f)在3D打印的V2CTx/rGO-CNT电极上沉积和剥离Na的形貌演变。(g)相应的沉积-剥离曲线。(h)在V2CTx/rGO-CNT电极上以1 mA cm-2电流密度沉积2小时的Na的原位光学显微镜图像。

图5所示：(a)原位TEM装置示意图。(b)V2CTx/rGO-CNT镀钠过程的原位TEM快照。(c)原始V2CTx/rGO-CNT和(d)钠沉积后的SAED图案。(e)钠沉积过程的示意图。基于DFT计算的Na和(f)C(石墨烯)、(g)F(V2CF)和(h)O(V2CO)之间的结合能。

图6所示：Na@V2CTx/rGO-CNT||NVP@C-rGO全电池的电化学性能评价。(a)全电池的示意图。(b)NVP@C-rGO正极和Na@V2CTx/rGO-CNT负极的恒电流充放电(GCD)曲线。(c)100 mA g-1电流密度充满电池的GCD曲线。(d)在100-2000 mA g-1的电流密度范围内，全电池的倍率性能。(e)全电池在100 mA g-1电流密度下的循环性能和对应CE。

【论文链接】

Zixuan Wang, Zhenxin Huang, Hui Wang, Weidong Li, Bingyan Wang, Junmin Xu, Tingting Xu, Jinhao Zang, Dezhi Kong, Xinjian Li, Hui Ying Yang, and Ye Wang, 3D-Printed Sodiophilic V2CTx/rGO-CNT MXene Microgrid Aerogel for Stable Na Metal Anode with High Areal Capacity, ACS NANO, 2022.

https://doi.org/10.1021/acsnano.2c01186