Advanced Functional Materials:MXene多功能导电粘结剂助力长寿命钠/钾离子电池柔性硬炭电极

硬炭材料具有资源广泛、成本低廉、便于规模化制备等优点,被认为是最有应用前景的钠/钾离子电池负极材料。传统硬炭电极的成型是将硬炭与粘结剂(PVDF等)、导电剂按照一定比例调成浆料,涂覆在铜箔集流体上制备而成。硬炭电极在充放电循环过程中体积膨胀较大(尤其是对于离子尺寸较大的钾离子电池),反复充放电过程引起电极材料粉化,导致循环性能恶化。此外,传统涂覆法制备的电极柔性较差,也难以满足柔性储能设备的需求。

北京化工大学徐斌教授和美国Drexel University的Yury Gogotsi教授提出以Ti3C2Tx MXene作为多功能导电粘结剂制备柔性硬炭电极的新策略。MXene是一种新型二维层状材料,兼具类金属的导电性和优异的亲水性。将硬炭颗粒(HC)和MXene液相均匀分散,真空制备柔性一体化HC-MX膜,可直接用作钠/钾离子电池电极。在该电极中,MXene既充当了粘结剂,又可作为导电剂、柔性基体和辅助活性组分。HC-MX膜电极不仅具有良好的柔性,而且基于电极质量计算其储钠容量高达368 mAh g-1,远高于传统的以PVDF为粘结剂的硬炭电极。更重要的是,HC-MX电极中,MXene片层构建的三维导电网络可有效缓冲硬炭材料充放电过程中的体积膨胀,提高电极的结构稳定性,从而使HC-MX电极表现出显著优于传统PVDF电极的循环性能,将其用于钠离子电池,在200 mA g-1的电流密度下循环1500次容量无衰减。对于充放电过程中体积变化大、容量衰减现象更加严重的钾离子电池,以MXene为多功能导电粘结剂的电极的优势更加突出,在50 mA g-1的电流密度下循环100次后容量保持率由传统PVDF电极的36.7%提高至84%。此外,得益于MXene片层搭建的三维导电网络,HC-MX膜电极也表现出优异的倍率性能。因此,以MXene为多功能导电粘结剂有利于提高钠/钾离子电池的能量密度、功率密度和循环寿命,对其他储能器件的电极构筑也有重要的参考意义。相关论文“MXene-Bonded Flexible Hard Carbon Film as Anode for Stable Na/K-Ion Storage”在线发表在 Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201906282) 。