近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國家重點實驗室二維材料化學(xué)與能源應(yīng)用研究組研究員吳忠?guī)泩F隊與研究員李先鋒、副研究員鄭瓊團隊，以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授余彥團隊合作，發(fā)展一種三維柔性、高導(dǎo)電、親堿性金屬的MXene/三聚氰胺多孔氣凝膠新材料，有效調(diào)控了堿金屬與三維框架載體間的表界面化學(xué)，獲得高倍率、高容量、無枝晶堿金屬（鋰、鈉、鉀）負極，并構(gòu)筑出高比能、長壽命堿金屬電池。

　　堿金屬具有高理論比容量（Li：3680 mAh g^-1；Na：1165 mAh g^-1；K：687 mAh g^-1）和低氧化還原電位（Li：-3.04 V；Na：-2.71 V；K：-2.93 V vs. SHE），被認為是下一代高能量密度電池的理想負極材料。其存在不可控的枝晶生長以及充放電過程堿金屬體積膨脹大等問題，導(dǎo)致堿金屬循環(huán)性能差、安全性能低，限制了堿金屬負極在全電池中的實際應(yīng)用。因此，設(shè)計一種具有高機械強度的輕質(zhì)、柔性、導(dǎo)電骨架，同時能夠?qū)崿F(xiàn)在大電流密度和高容量條件下工作無枝晶產(chǎn)生的堿金屬負極，是目前突破堿金屬電池應(yīng)用瓶頸的有效方法。

　　該團隊開發(fā)出一種輕質(zhì)柔性的三維MXene/三聚氰胺多孔泡沫材料，具有良好的親堿金屬表面、快速的電子和離子傳輸通道以及優(yōu)異的機械強度，將其用作堿金屬（鋰、鈉、鉀）的載體，有效抑制了堿金屬負極的枝晶生長和體積變化。該復(fù)合電極實現(xiàn)了鋰負極在50mAcm^-2的高電流密度和50 mAh cm^-2面容量下的穩(wěn)定工作，并且鈉負極實現(xiàn)了20 mA cm^-2的高倍率和20 mAh cm^-2的高面容量。李先鋒、鄭瓊團隊開展堿金屬電池內(nèi)多物理場耦合下的模擬計算研究，結(jié)果表明，該復(fù)合電極能夠有效提高固液相界面濃度分布的均勻性，降低界面反應(yīng)電流密度，從而引導(dǎo)堿金屬離子在MXene骨架上均勻沉積，抑制枝晶的生成。將該金屬負極應(yīng)用到鋰硫、鈉/磷酸釩鈉全電池中，提高了全電池的循環(huán)壽命和倍率性能。這種柔性高導(dǎo)電性、親堿金屬的三維多孔電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計策略為構(gòu)建高能量密度、長循環(huán)壽命的堿金屬電池提供了新思路。

　　相關(guān)研究成果發(fā)表在《美國化學(xué)會·納米》（ACS Nano）上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃項目、中科院潔凈能源創(chuàng)新研究院項目等的資助。

　　三維MXene-三聚氰胺泡沫用于高電流密度、高容量堿金屬電極的原理圖