Advanced Energy Materials:MXene-Ti3C2基介孔纳米片用于高性能锂离子导体

随着电动汽车和移动电子设备的快速增长,为其提供安全的可充电锂基电池的需求越来迫切。固态聚合物电解质(如聚环氧丙烷、聚氧化乙烯)因便于加工、工作机制与无机固态电解质相似,有望替代易燃的液体电解质和脆性的无机固态电解质。然而纯聚合物电解质通常显示出差的室温离子电导率(10-5-10-10 S cm-1)和低的杨氏模量(低于0.4 MPa)。为促进Li+在固态聚合物电解质中的传输,一种有效策略是将零维(SiO2、TiO2、Al2O3)、一维(Li0.33La0.557TiO3)、和二维(氧化石墨烯、MXene-Ti3C2)无机填料添加到聚合物基质中,产生无机/聚合物固态电解质。例如,在聚氧化乙烯中添加新型二维材料MXene-Ti3C2时,固态聚合物电解质的离子电导率可以提高到7.0×10-10 S cm-1,是纯PEO电解质(1.4×10-10 S cm-1)的5倍。迄今为止,已经有超过20种具有丰富表面官能团(-OH、-F、-Cl)的MXenes被开发,为迈向高Li+导电性的含MXene固态聚合物电解质提供了巨大的机会。然而MXene-Ti3C2具有约103 S cm-1的高电导率且易于团聚,限制了其在聚合物电解质中的使用。

北京航空航天大学杨树斌教授课题组针对上述问题开发了一种通过十六烷基三甲基溴化铵诱导MXene-Ti3C2分散并在纳米片表面原位可控水解正硅酸乙酯的有效方法制备具有夹心结构、独立二维特性和低电导率的MXene-Ti3C2基介孔二氧化硅纳米片(MXene-mSiO2),将其用于提高聚环氧丙烷的离子电导率。MXene-Ti3C2因其表面丰富的官能团(-F, -OH)而呈电负电,阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵被静电吸引而自组装到超薄纳米片表面。通过原位可控水解正硅酸乙酯,二氧化硅均匀地生长在MXene-Ti3C2表面,得到夹心结构的单分散MXene基介孔二氧化硅纳米片。介孔二氧化硅层的厚度易于调节,通过改变正硅酸乙酯与MXene-Ti3C2的配比实现。MXene-mSiO2的比表面积高达491.9 m2 g-1,比MXene-Ti3C2(29.4 m2 g-1)高16倍。四探针电阻仪测试表明,所得MXene-mSiO2纳米片的电子电导率为2.3×10-5 S cm-1,比MXene-Ti3C2(1.4×103 S cm-1)低7个数量级。如图1a所示,将MXene-mSiO2加入到聚环氧丙烷中,制备含MXene-mSiO2聚合物固态电解质。单分散的刚性MXene-mSiO2因表面含有大量的羟基和氟基,可以通过氢键作用均匀地分散在聚氧化丙烯基质中。纳米压痕的测试结果表面,含MXene-mSiO2聚合物固态电解质的杨氏模量也因大量形成的氢键而显著增强。含MXene-mSiO2聚合物固态电解质的离子电导率受二维填料、锂盐含量的影响,最优值为4.6×10-4 S cm-1,是二氧化硅颗粒/聚氧化丙烯固态电解质的2倍,且高于多数固态聚合物电解质。如此高的离子电导率归因于具有高比表面积和丰富官能团(羟基、氟基)的MXene-mSiO2和LiTFSI间形成大量的路易斯酸碱作用,在MXene-mSiO2和聚氧化丙烯界面构建了快速Li+传输通路(图1a)。将含MXene-mSiO2聚合物固态电解质应用在锂金属全电池中,其电化学性能明显高于对比样品(图1b)。

研究者相信,通过这种简易策略可以生产一系列具有高离子电导率的含MXene固态聚合物电解质,用于高安全性锂金属电池。相关论文在线发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201903534)上