Small:二维纳米片静电组装三维中空框架增强储锂性能

锂离子电池被广泛应用于便携式电子产品、电动汽车及电网储能等领域。MXene(Ti3C2Tx)是一类典型的二维材料,具有电子导电性好、锂离子扩散势垒低、锂离子嵌入/脱嵌过程中体积变化可忽略等优势,作为锂离子电池负极材料表现出优异的性能。但MXene较低的理论容量(320 mAh g-1)及由范德华相互作用和氢键引起的片层堆叠严重限制了MXene在锂离子电池中的应用。借助模板法将二维MXene纳米片整合到三维中空框架可以有效地缓解材料堆叠,但模板的表面修饰和后续的化学移除,使制备过程复杂且效率低;将电化学活性材料与MXene复合,在部分缓解堆叠的同时可提升锂离子存储容量,但复合材料的倍率性能和循环稳定性仍有待改善。且目前的合成方法(水热、溶剂热及回流)会导致MXene表面钝化。

为了更好的解决以上问题,南京工业大学先进材料研究院黄维院士与孙庚志教授团队采用静电组装策略构建了三维CoO/Co2Mo3O8@MXene中空框架用于锂离子电池负极,该电极表现出优异的倍率性能及良好的循环稳定性。ZIF-67经刻蚀可以得到由LDH纳米片堆砌而成的多面体结构,带正电的LDH与带负电的MXene纳米片通过静电组装获得空心框架,再经热处理获得具有三维中空结构的CoO/Co2Mo3O8@MXene多面体。在该复合结构中,MXene纳米片提供三维导电网络和机械稳定性,促进界面处电荷的快速转移,并缓解内部CoO/Co2Mo3O8的体积膨胀;同时,由CoO/Co2Mo3O8纳米片组装的中空多面体可避免MXene聚集,并提供更高的锂离子存储容量。电池测试结果表明三维CoO/Co2Mo3O8@MXene框架在0.1 A g-1电流密度下表现出947.4 mAh g-1可逆容量,优异的倍率性能(5 A g-1时保持435.8 mAh g-1)及良好的循环稳定性(2 A g-1循环1200圈后,容量保持545 mAh g-1)。相关结果发表在Small(DOI:10.1002/smll.201904255)上。