Small Methods:少层Nb2CTx MXene衍生一维单晶T-Nb2O5用于高性能锂离子电容器

近几十年来,高能量密度的锂离子电池和高功率超级电容器凭借其各自优势已经广泛应用于日常生活中。但其仍无法满足混合电动汽车、智能电网和航空航天等领域对兼具高能量和高功率密度器件的需求。锂离子电容器(LICs)凭借其兼具高功率/能量密度和长使用寿命等突出优势引起了人们极大兴趣。然而,电池型阳极与电容性阴极动力学的不匹配极大限制了其商业化发展。因此,开发具有高电化学动力学性能的阳极材料势在必行。

近年来,TiO2、Li4Ti5O12和Nb2O5等嵌入型赝电容特性材料在LICs负极材料中得到了广泛的研究,它们是弥合正负极巨大动力学差距的理想候选材料。其中,正交晶系Nb2O5(T-Nb2O5)凭借其较高理论容量(~200 mAh g-1)、准2 D离子嵌入通道和较小体积膨胀(~5%)等先天优势脱颖而出。目前通常做法是采用Nb盐,通过水热或化学方法来合成纳尺度Nb2O5。但是所得Nb2O5材料结晶度较低,并且合成中涉及了诸多软硬模板来诱导其微结构生长。因此,探索简单且有效的方法来可控合成高晶化纳米Nb2O5仍然是一个巨大挑战。

济南大学原长洲教授及其研究团队在锂离子电容器高倍率负极材料方面的研究取得重要进展。作者采用二维少层铌基MXenes(f-Nb2CTx)纳米片作为前驱体,通过简单水热和退火处理,成功设计和构造了沿[001]晶面取向生长的一维单晶T-Nb2O5纳米棒,并揭示了其内在形成机制。此外,基于原位XRD深层次阐释了一维单晶T-Nb2O5的快速动力学储锂机制。鉴于其独特赝电容特性及一维单晶结构,T-Nb2O5展现了优异的电化学动力学性能。得益于正、负极间良好的动力学匹配,T-Nb2O5//AC锂离子电容器在8 kW kg‒1时展现出高能量密度(35.6 Wh kg-1),且在0.5 A g‒1电流密度下,经过4000次连续循环后仍具有约95%的容量保持率。重要的是,本方法可以拓展到其它高性能铌基复合氧化物电极材料的可控制备。本工作以“In-Plane Assembled Single-Crystalline T-Nb2O5 Nanorods Derived from Few-Layered Nb2CTx MXene Nanosheets for Advanced Li-Ion Capacitors”为题发表在国际知名学术期刊Small Methods(DOI: 10.1002/smtd.202000630)上,济南大学硕士生秦理及青年讲师刘洋为共同第一作者,济南大学原长洲教授和侯林瑞教授为共同通讯作者(论文作者:Li Qin, Yang Liu, Senyang Xu, Shichao Wang, Xuan Sun, Shuhao Zhu, Linrui Hou, Changzhou Yuan)。