3D Vertical Ultra-Sodiophilic Leaf-vein-like MXene/Sn@CNF Array of Structured Sodium Enabling High-Rate and Long-Life Sodium Metal Batteries

材料科学 阳极 阴极 金属 过电位 成核 化学工程 光电子学 纳米技术 冶金 电极 电化学 化学 物理化学 有机化学 工程类
作者
Zhenzhen Wang,Shang‐Qi Li,Yue Zhang,Xiaoyang Zheng,Haoxuan Liu,Jiawen Huang,Kuan Wu,Guanyao Wang,Jong‐Beom Baek,Zhen Li,Shi Xue Dou,Huan Liu,Chao Wu
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier]
卷期号:71: 103557-103557 被引量:1
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2024.103557
摘要

Uncontrolled Na dendrite growth and infinite volume change during cycling have greatly impeded the practical application of Na metal anode for high-energy-density batteries. To address these two issues simultaneously, a 3D vertical ultra-sodiophilic leaf-vein-like MXene/Sn@CNF array (VL-MXene/Sn@CNF) aerogel, integrated by 1D Sn@CNF and 2D MXene, was prepared by an ingenious hydrogen bonding self-assembly and unidirectional ice template method. The low-tortuosity and ultra-sodiophilic vertical array facilitates uniform and rapid Na+ transport along the ordered interspaces, achieving a negligible nucleation overpotential of 1.0 mV. Furthermore, experimental results and theoretical calculations revealed a unique bidirectional growth mode of Na, in which vertical leaf-vein-like lamellae and bridging fibers guided Na to be densely deposited along the vertical and horizontal directions, respectively. Benefitting from the ultra-sodiophilic vertical array of structured Na, the designed material exhibits an endurance of 1000 cycles for asymmetric cell at 3.0 mA cm−2 and 3.0 mAh cm−2, and the symmetrical cell delivers an ultra-long lifespan of 6000 h at 1.0 mA cm−2 and 3.0 mAh cm−2 with a high depth of discharge up to 50%. Remarkably, at the high current of 15 C, the full cell based on NaTi2(PO4)3 cathode and Na@VL-MXene/Sn@CNF anode can deliver a reversible capacity of 88.94 mAh g−1 after 9200 cycles with an ultralow 0.0016% capacity decay per cycle, which represents the most impressive full cell performance so far.

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