北科納米可提供亞微米Ti2CTx MXene（可定制）

文 章 信 息

亞微米Ti2CTx?MXene作為鋰離子電池的高倍率插層型負(fù)極材料

第一作者：崔聰

通訊作者：王曉輝*

單位：中國科學(xué)院金屬研究所，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，鄭州大學(xué)

研 究 背 景

開發(fā)具有高倍率性能的鋰離子電池對于實現(xiàn)便攜式電子設(shè)備和電動汽車快速充放電具有重要意義。鋰離子電池的倍率性能主要取決于電極材料的倍率性能。

對于正極材料，LiFePO4、Li(Fe0.5Mn0.5)PO4、Li1.2Ni0.13Mn0.54Co0.13O2等均具有較好的倍率性能。然而，目前最為廣泛應(yīng)用的負(fù)極材料石墨與硅則倍率性能較差。Li4Ti5O12雖然具有較高的倍率性能，但是其理論比容量偏低，且放電電位較高。因此，開發(fā)新一代具有高倍率性能、高比容量與高循環(huán)穩(wěn)定性的負(fù)極材料具有重要意義。

文 章 簡 介

基于此，來自中國科學(xué)院金屬研究所的王曉輝研究員與鄭州大學(xué)的范冰冰副教授在國際知名期刊Journal of Materials Chemistry A上發(fā)表題為“Submicron Ti2CTx?MXene Particulates as High-Rate Intercalation Anode Materials for Li-Ion Batteries”的文章。該文章報道了通過刻蝕熔鹽法合成的Ti2AlC，得到亞微米級Ti2CTx?MXene的方法。文章重點分析了熔鹽中Ti2AlC的形成機制與亞微米Ti2CTx?MXene的高倍率性能機制，并且制備了基于Ti2CTx的高倍率自支撐柔性電極，為其在柔性電子設(shè)備中應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

圖1. TiH2、Al和納米碳黑在等摩爾比KCl/NaCl熔鹽中形成Ti2AlC MAX相的示意圖。金屬元素不斷向熔鹽中溶解，最終向納米碳黑擴散形成了Ti2AlC

圖2. (a) 熔鹽法合成Ti2AlC的掃描照片, (b) 亞微米Ti2CTx的掃描照片，(c) 亞微米Ti2CTx的透射照片， (d) Ti2AlC與亞微米Ti2CTx的XRD圖譜，(e) Ti2AlC與亞微米Ti2CTx的氮氣等溫吸附/脫附曲線

圖3. 亞微米Ti2CTx的XPS光譜。(a) Ti 2p，(b) O 1s，(c) F 1s，(d) Cl 2p

圖4. 亞微米Ti2CTx的電化學(xué)性能表征。(a) 不同電流密度下的恒流充放電曲線，(b) 電化學(xué)性能比較，(c) 高電流密度下循環(huán)穩(wěn)定性表征

圖5. 微米級大尺寸Ti2CTx?(l-Ti2CTx)與亞微米級小尺寸Ti2CTx?(s-Ti2CTx)電化學(xué)行為比較研究。(a) s-Ti2CTx在0.1 mV s-1掃描速率下的循環(huán)伏安曲線，不同掃描速率下(b) s-Ti2CTx與(c) l-Ti2CTx循環(huán)伏安曲線，(d) 電容行為對容量貢獻(xiàn)比例，(e) 恒電流間歇滴定曲線，(f) 不同電位下測得鋰離子擴散系數(shù)

圖6. 不同電位下s-Ti2CTx的交流阻抗譜。(a) 未經(jīng)循環(huán)的新制電池，(b) 3.0 V，(c) 2.25 V，(d) 1.5 V，(e) 0.75 V，(f) 0.05 V，(g) 新制電池與3.0 V下測得交流阻抗譜擬合電路，(h) 2.25~0.05 V測得交流阻抗譜擬合電路

圖7. (a) 電壓曲線與對應(yīng)的非原位XRD圖譜，(b) DFT計算Ti2CO2Lix鋰化過程電壓曲線，(c) s-Ti2CTx的(002)衍射峰與對應(yīng)的層間距隨著充放電電壓演化過程

圖8. s-Ti2CTx/SWCNTs自支撐柔性電極表征。(a) 光學(xué)照片，(b) 掃描照片，(c) 倍率性能，(d) 循環(huán)性能

本 文 要 點

要點一：Ti2AlC在熔鹽環(huán)境中的形成機制

通過分析不同溫度下XRD圖譜、拉曼光譜、掃描形貌與對應(yīng)的能譜元素面分布圖結(jié)果，確定了熔鹽中金屬元素向碳元素擴散的Ti2AlC形成機制。通過使用微米級碳源進行比較研究，進一步確認(rèn)了該反應(yīng)機制的合理性。

要點二：亞微米Ti2CTx實現(xiàn)高倍率性能機制

亞微米Ti2CTx在10 A g-1的電流密度下，其比容量仍能達(dá)到155 mAh g-1，這樣高的倍率性能超過了大部分未經(jīng)改性的MXene，甚至是部分改性的MXene。通過對比亞微米Ti2CTx與微米級Ti2CTx的電化學(xué)行為特點，確定了低電位下更高的鋰化/去鋰化活性是亞微米Ti2CTx實現(xiàn)高倍率性能的關(guān)鍵。

要點三：基于堆垛體Ti2CTx柔性電極的設(shè)計制備與應(yīng)用探索

亞微米Ti2CTx除了具有高倍率性能外，還可以通過與單壁碳納米管復(fù)合制備成具有良好柔性的自支撐薄膜電極，該柔性電極在5 A g-1的電流密度下可以實現(xiàn)173 mAh g-1的高比容量并且展現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性。該方法可以進一步拓展到制備磷酸鐵鋰柔性正極制備中，進而與預(yù)鋰化的Ti2CTx柔性負(fù)極組成高首次庫倫效率的柔性電極全電池，為Ti2CTx在柔性電子設(shè)備中應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

通 訊 作 者 簡 介

王曉輝?研究員簡介：1997年本科畢業(yè)于鄭州大學(xué)化學(xué)系，博士就讀于中國科學(xué)院金屬研究所，師從周延春研究員，隨后在日本國立材料科學(xué)研究所（NIMS）與日本東北大學(xué)多元物質(zhì)科學(xué)研究所從事博士后研究工作，2007年加入中國科學(xué)院金屬研究所。長期從事結(jié)構(gòu)陶瓷和儲能材料的研究和開發(fā)。以通訊作者身份在Chemical Society Reviews、Nano Letters、ACS Nano等學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表數(shù)十篇研究論文。至今已發(fā)表論文130余篇，被引用8000余次，H因子45。

課 題 組 介 紹

王曉輝研究員課題組長期從事結(jié)構(gòu)陶瓷材料與電化學(xué)儲能材料的研發(fā)，如MAX相陶瓷、MXene、LiFePO4等。

文 章 鏈 接

Submicron Ti2CTx?MXene Particulates as High-Rate Intercalation Anode Materials for Li-Ion Batteries

https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2022/ta/d2ta03050k