可充電鎂電池 (RMB) 是很有前途的下一代低成本高能設備。在所有 RMB 中，使用原位鍍鎂集流體作為負極的無陽極鎂金屬電池可以提供最佳的能量密度。然而，迄今為止，無陽極鎂金屬電池仍然難以捉摸，因為傳統陽極集電器上的鎂沉積不均勻，導致實際應用受到低 Mg 電鍍/剝離效率的困擾。在此，首次成功構建了無負極鎂金屬電池，采用 3D MXene（Ti3C2Tx) 具有 Mg 水平外延電沉積的薄膜。MXene 中的嗜鎂氧和活性氟端基可在 Ti3C2Tx薄膜表面上增加局部鎂離子濃度和持久的富含氟化鎂的固體電解質界面。同時，Ti3C2Tx MXene 表現出與 Mg 的高晶格幾何擬合 (≈96%) 以引導 Mg 水平外延電沉積。因此，開發的 Ti3C2Tx薄膜在高電流密度（5.0 mA cm
-2) 和高 Mg 利用率 (50%) 條件。當這種 Ti3C2Tx薄膜與預磁化的 Mo
6S
8陰極耦合時，無陽極鎂金屬全電池原型的體積能量密度是其標準鎂金屬對應物的五倍。這項工作為陽極集電器的合理設計提供了見解，以指導無陽極鎂金屬電池的鎂水平外延電沉積。
Fig 1. 基于 MXene 的無陽極鎂金屬電池的概念。a) 使用 Mg 金屬陽極的標準電池示意圖，b) 使用 MXene 薄膜作為陽極集電器的無陽極電池示意圖。c) Cu 上多孔 Mg 沉積行為的圖示。d) Ti3C2Tx MXene 薄膜上 Mg水平外延 沉積行為的圖示，源于固有的氧和氟表面終端和獨特的晶體結構，允許高 Mg
2+離子吸附能力使界面 Mg
2+通量均勻化，形成富含 MgF
2的耐用 SEI，以及與 Mg 的高晶格匹配。
Fig 2. 親鎂 Ti3C2Tx MXene 薄膜表面的均勻濃度分布。a) 橫截面 SEM 圖像和 b,c) 高分辨率 b) F 1s 和 c) Ti3C2Tx薄膜的 O 1s XPS 光譜。d) Mg 原子在 O- ?、OH- ?和 F- 端基 Ti3C2Tx上的吸附能和微分電荷密度和銅表面。此處，淺藍色、棕色、紅色、淺粉色、灰色和藍色球分別代表 Ti、C、O、H、F 和 Cu 元素。黃色和藍色區域分別代表電荷積累和損失。等值面水平分別設置為 0.0059、0.0012、0.0002 和 0.0024 e Bohr
-3。e,f)電流密度為 1.0 mA cm
-2時，(e) 2D Cu 箔和 (f) 3D Ti3C2Tx薄膜上 Mg
2+離子濃度分布的 COMSOL 模擬。
Fig 3. Ti3C2Tx MXene 薄膜表面的Mg水平外延電沉積。a) 沿 (002) -O、 -OH、-F 終止的 Ti3C2Tx平面的原子排列和 b) 它們的晶格幾何與 Mg 不匹配。此處，淺藍色、棕色、紅色、淺粉色和灰色球分別代表 Ti、C、O、H 和 F 元素。c,d) Ti3C2Tx薄膜在電鍍(c) 0.5 和(d) 1.0 mAh cm
-2 Mg at 1.0 mA cm
-2后的SEM圖像和相應的映射結果. e) 在 1.0 mA cm-2電鍍 1.0 mAh cm
-2 Mg后銅箔的 SEM 圖像和相應的映射結果。
Fig 4. 在 Ti3C2Tx MXene 薄膜表面形成富含 MgF
2的 SEI 層。a) 高分辨率 F 1s XPS 光譜，b,c) TOF-SIMS 2D 重建的 MgF
- 碎片分布， d) 深度剖面和 e,f)從 Ti3C2T表面檢測到的MgF
-的 3D 重建分布x初始電鍍后的膜 1.0 mA cm
-2的 Mg 1.0 mA cm
-2。g) F-terminated Ti3C2Tx表面分子動力學計算在 300 K 存在 Mg 的情況下。這里，綠色、淺藍色、棕色和灰色的球分別代表 Mg、Ti、C 和 F元素。
相關研究工作由新加坡科技研究局Seh Zhi Wei和浙江大學Jun Lu課題組于2023年聯合發表在《Advanced Functional Materials》期刊上，原文：MXene-Based Anode-Free Magnesium Metal Battery。
轉自《石墨烯研究》公眾號
