研究背景
随着社会对可持续能源需求的不断增长，开发高能量密度、低成本的可充电电源系统变得尤为重要。钠离子电池（SIBs）因其资源丰富、成本低廉而被视为锂离子电池的有力竞争者。钠金属作为SIBs中极具潜力的负极材料，因其高理论比容量、低氧化还原电位以及丰富的资源而受到广泛关注。然而，金属钠的实际应用受到诸如枝晶生长、体积膨胀、库仑效率低下和快速容量衰减等挑战的严重阻碍。为了解决这些问题，研究者们采取了多种策略，包括电解液改性、人工界面工程、合金设计以及三维纳米结构支架的构建。特别是三维多孔结构，因其能够阻碍枝晶形成、延长枝晶成核时间，并促进钠金属的均匀沉积，被认为是一种实际可行的解决方案。MXene作为一类新兴的二维材料，因其固有的亲水表面、卓越的导电性、良好的化学稳定性和表面工程灵活性，已被探索用于改善钠金属负极的电化学性能。MXene家族中，Nb2C因其三层原子结构和高电化学活性而被选为钠金属负极的宿主材料。
成果简介
本研究提出了一种创新的3D打印技术，用于制造具有长循环稳定性的钠金属负极。通过构建Nb2CTx/rGO气凝胶单体，实现了钠金属的均匀沉积和稳定的固态电解质界面（SEI）层的形成。这种结构不仅提供了大的比表面积以减少电极表面的电流密度，还通过其层次多孔结构促进了电解液的有效渗透，确保了电解液与电极之间的紧密接触。此外，Nb2CTx纳米片的亲钠特性增强了钠离子的成核和沉积稳定性。通过这些优势，3DP Nb2CTx/rGO电极在对称电池测试中展现出超过3000小时的超长循环寿命，以及在7064小时的延长寿命测试中保持了99.68%的高平均库仑效率。
图文导读
图1 展示了3DP Nb2CTx/rGO微格气凝胶电极的制造过程示意图，从Nb2AlC MAX相的制备到最终的3D打印成型。
图2 通过SEM、TEM和HRTEM图像展示了3DP Nb2CTx/rGO电极的微观结构，以及通过EDS元素映射和XRD、XPS分析确认了材料的组成和化学价态。
图3 展示了3DP Nb2CTx/rGO电极的电化学性能，包括不同电流密度下的速率性能、长期循环性能和库仑效率。
图4 通过原位光学显微镜图像和电流密度分布模拟，展示了钠在不同电极上的沉积形态和电流分布情况。
图5 通过XPS深度分析技术，揭示了3DP Nb2CTx/rGO电极表面形成的稳定SEI层的化学组成。
图6 展示了由3DP Nb2CTx/rGO负极和3DP NVP@C/rGO正极组成的全电池的电化学性能，包括充放电曲线、速率性能和长期循环稳定性。
小结
本研究成功设计并构建了一种新型的3D打印Nb2CTx/rGO微格单体电极，作为钠金属负极，实现了长循环寿命。3DP Nb2CTx/rGO电极展现出了卓越的电化学性能，包括低成核过电位、高平均库仑效率和出色的循环稳定性。这些优异的性能不仅归功于设计的3D结构，降低了电流密度并提供了大量微腔以容纳钠沉积，还归功于Nb2CTx的亲钠特性，这些特性源自于功能团，可以有效指导钠的沉积，实现无枝晶沉积形态。此外，还与形成的稳定SEI层有关，该层由内层的无机NaF和外层的松散结合有机物质组成。最后，3DP NVP@C/rGO||Na@Nb2CTx/rGO全电池展示了显著提高的循环性能。这项工作不仅提供了一种3D打印策略来构建亲钠MXene基质以实现稳定的钠金属负极，而且还提供了有关在Nb2CTx MXene辅助下在钠金属表面形成的稳定SEI层的有用信息。
文献：https://doi.org/10.1002/adfm.202405460
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