郑州大学《Nanoscale》：3D打印Ti3C2Tx/石墨烯微晶格气凝胶，用于金属钠阳极

成果简介

金属钠因其固有的优势，包括理论容量高、工作平台低和成本低，已成为钠基电池极具潜力的负极材料。然而，钠枝晶的不可控形成以及不受限制的体积膨胀严重限制了其应用。为了解决这些问题，本文，郑州大学王烨 教授团队在《Nanoscale》期刊发表名为“Ultrahigh areal capacity and long cycle stable sodium metal anodes boosted by 3D printed sodiophilic MXene/rGO microlattice aerogel”的论文，研究提出了一种解决方法，即采用直接墨水写入（DIW）三维打印技术构建的Ti3C2Tx/还原氧化石墨烯（Ti3C2Tx/rGO）三维（3D）结构作为Na金属阳极主电极。

三维打印的 rGO 骨架提供了多孔结构，而亲钠的 Ti3C2Tx 纳米片的加入则提供了丰富的成核位点，促进了金属钠的均匀沉积。这种特殊设计的结构通过有效抑制枝晶的形成，大大提高了金属钠循环的稳定性。实验结果表明，所设计的Ti3C2Tx/rGO电极在2mA cm-2 和2mAh cm-2的条件下循环1800次（3600 小时）后，库仑效率（CE）高达99.91%。值得注意的是，在5mA cm-2 条件下，以 50 mAh cm-2 的超高容量进行测量时，所采用的电极寿命长达 1400 小时以上，CE 超过 99.93%。此外，由 Na@Ti3C2Tx/rGO阳极和 3D 打印的 Na3V2(PO4)3C-rGO（NVP@C-rGO）阴极组成的3D打印全电池也已成功展示。这种3D 打印电池在 100 mA g-1 条件下循环500次后，可提供 85.3 mAh g-1 的显著容量。三维打印全电池所实现的优异电化学性能为开发实用的钠金属阳极铺平了道路。

图文导读

图1。(a) 3D打印Ti3C2Tx/rGO微晶格气凝胶电极制备工艺示意图。(b-d) 3D打印50% Ti3C2Tx/rGO电极的SEM和(e-f) TEM图像。(g) 3D打印50% Ti3C2Tx/rGO微晶格气凝胶的SEM图像及相应的EDS元素映射图。

图2. (a) rGO、Ti3C2Tx和Ti3C2Tx/rGO纳米复合材料的XRD谱图。(b) rGO和Ti3C2Tx/rGO纳米复合材料的TGA曲线。(c) rGO和Ti3C2Tx/rGO纳米复合材料的N2吸附/解吸等温线。(d) rGO、Ti3C2Tx和Ti3C2Tx/rGO纳米复合材料的XPS研究。Ti3C2Tx纳米复合材料(e) c1s和(f) ti2p的XPS光谱。

图3。二维平面Cu箔、3D打印rGO和Ti3C2Tx/rGO电极上Na金属沉积/剥离的电化学性能

图4。COMSOL Multiphysics模拟了(a) Cu、(b) 3D打印rGO和(d) 3D打印50% Ti3C2Tx/rGO电极上的表面电流密度分布。(d) Cu、(e) 3D打印rGO和(f) 3D打印50% Ti3C2Tx/rGO电极在2ma cm-2和2mah cm-2下循环100次后的SEM图像。

图5。(a)沉积容量为0.2、1,2 mAh cm-2、剥离容量为0.2、1,2 mAh cm-2的50% Ti3C2Tx/rGO 3D打印电极上钠沉积/剥离的形貌演变(从左至右)。(b) Cu， (c) 3D打印rGO和(d) 3D打印50% Ti3C2Tx/rGO电极在5 mA cm-2下的原位光学照片。钠沉积在(e) Cu、(f) 3D打印rGO和(g) 3D打印50% Ti3C2Tx/rGO电极上的示意图。

图6。Na@Ti3C2Tx/rGO||NVP@C-rGO全电池电化学性能评价

小结

综上所述，制备了3D打印50% Ti3C2Tx/rGO微晶格气凝胶，并进一步用作Na金属阳极的骨架。所制备的Ti3C2Tx/rGO骨架电极具有优异的亲钠性，可促进Na+离子的快速扩散，降低Na均匀沉积的成核势垒。电化学结果表明，3D打印Ti3C2Tx/rGO电极具有优异的电化学可逆性、稳定性和循环寿命。3D打印50% Ti3C2Tx/rGO电极在2ma cm-2和2mah cm-2下可达到3600小时的长循环寿命。令人印象深刻的是，它甚至可以在5.0 mA cm-2的高电流密度下，以50 mAh cm-2的超高面容量运行超过1400小时。

3D打印Ti3C2Tx/rGO电极优异的电化学性能可归因于Ti3C2Tx MXene的亲钠性和特殊的3D打印人工结构诱导的均匀形貌的无枝晶沉积行为，通过无限模拟和非原位SEM和原位光学显微镜表征。此外，还展示了由Na@Ti3C2Tx/rGO阳极和3D打印NVP@C-rGO阴极组装而成的3D打印全电池。即使在500次循环后，完整的电池也可以提供85.3 mAh g-1的高比容量。这种精心设计的3D打印Ti3C2Tx/rGO阳极为高性能Na金属阳极的开发提供了宝贵的见解。

文献：https://doi.org/10.1039/D3NR03046F