Vertically-oriented growth of MgMOF layer via heteroepitaxial guidance for highly stable magnesium-metal anode

材料科学 成核 阳极 过电位 阴极 电解质 电化学 化学工程 电流密度 钝化 光电子学 图层(电子) 纳米技术 电极 物理化学 热力学 化学 物理 量子力学 工程类
作者
Yongqin Wang,Fulin Cheng,Yangze Huang,Chenyang Cai,Yu Fu
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:61: 102911-102911 被引量:15
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2023.102911
摘要

Hybrid Li-Mg batteries (LMBs) have captured growing attention beyond lithium-ion batteries, however, the practical application of LMBs has still been blocked by the passivated layer on the Mg anode surface, as well as the nonuniform Mg2+ electrodeposition. Herein, we designed a vertically-oriented MgMOF layer on the surface of Mg foil, which functioned as the Mg2+ reservoir and guided the directional growth, via the heteroepitaxial growth strategy. It was an ingenious synergism of the lattice precise matching (lattice geometrical misfit less than 1%), magnesiophilic interface and electrical-field effect. The MgMOF layer was designed to improve the electrochemical kinetics of the Mg-electrolyte interface and guide the uniform Mg2+ electroplating/stripping under high current density. Remarkably, the MgMOF layer, with enriched Mg2+ affinity sites and the 1D aligned MOF channels, promoted the fast Mg2+ transportation and homogeneous Mg nucleation and growth. The MgMOF@Mg anode exhibited decreased Mg nucleation overpotential due to the protective MOF layer. The assembled MgMOF@Mg//MgMOF@Mg cell delivered elongated lifespan of 1200 cycles, even under the high current density of 8 mA cm−2 without short circuit. Impressively, the full cell, coupled with Mo6S8 cathode, displayed excellent cycling performance with capacity retention of 80.56 %, even after 14000 cycles at 50 C. The design concept shed fresh light for the rational design of MOF-based protective layer from the lattice geometrical perspective, which could be widely applied to other advanced metal batteries
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