构建纳米尺度并联电路提升倍率性能

由于个人便携式电子设备和电动交通工具对快速充放电功能的客观需求,高倍率性能电池是当今能源存储研究领域的一个热点。但是,为了提高电池的功率密度,往往不得不以牺牲其能量密度为前提。因此,研发具有高倍率性能的高能量密度电池原型也是当今储能研究领域的一个难点。

近期,深圳大学黄扬博士和德国莱布尼茨固体及材料研究所朱旻棽博士合作,利用二维层状碳化钛(Ti3C2Tx MXene)的本征表面反应活性,与高锰酸钾直接进行氧化还原反应,成功实现了在Ti3C2Tx表面均匀修饰锰氧化物(MnOx)纳米颗粒。基于上述一步反应合成的Ti3C2Tx@MnOx复合体系可用作水系锌离子电池的高性能正极材料。在这一体系中,手风琴状多层Ti3C2Tx MXene独特的堆叠结构为电子和离子的快速传输提供了一种纳米尺度的高导电并联电路。因此,即使在大倍率充放电条件下,电流也能均匀且精确地传输至各个子电路,有效激活修饰于Ti3C2Tx表面上的MnOx纳米颗粒,促进其与电解液中的锌离子进行快速电化学反应。得益于纳米并联电路的结构优势,所合成的Ti3C2Tx@MnOx展现了优秀的倍率性能:当电流密度增加至10 A g-1时,仍能保持50%的容量。随后,通过将Ti3C2Tx@MnOx与碳纳米管(CNTs)混合抽滤,进一步获得用于组装柔性锌离子电池的自支撑薄膜电极。由于CNTs能紧密缠绕于Ti3C2Tx@MnOx颗粒四周形成一个均匀整体,所以制备薄膜电极无需添加额外的粘合剂,避免了电极成分的赘余并提高了电池的单位容量。因此,薄膜电极能在0.1 A g-1的电流密度下提供高达270 mAh g-1的比容量(基于Ti3C2Tx@MnOx中MnO2的质量)。同时,基于Ti3C2Tx@MnOx与CNTs薄膜电极的锌离子电池原型还展现了优秀的柔性和强韧性,可以任意往复弯曲折叠而不影响其性能。结合其出色的倍率性能和优秀的电荷存储能力,这一电池原型在高性能便携电子设备上具有广阔的应用前景。

构建纳米尺度并联电路是本项工作提高活性电极材料倍率性能的关键。我们相信这一设计会为其它高倍率、高能量密度电池材料的开发提供新的启发。相关研究结果在线发表于Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201901336),论文第一作者为罗劭娟博士。