Small:表面修饰和介孔结构双重调控的MXene基自支撑钠电负极

丰富的钠资源和与锂离子电池类似的储能机制,使得钠离子电池有望成为新一代规模储能的主力军。然而,相对于锂离子来说,钠离子较大的半径使得其无法顺利嵌入成熟的锂离子电池石墨负极,因而需要开发出具有优秀电化学储钠性能的负极材料。需要注意的是,近年在一些特定应用场景中,人们对电池的需求更偏向高体积比容量而不是重量比容量,比如说发展势头正猛的可穿戴设备,器件本身就较小,需要在有限的空间内释放出更多的能量。因此,研制出高体积比容量和良好柔性的负极材料是目前亟待解决的问题。

针对上述问题,湖南大学解修强课题组利用二维材料MXene(Ti3C2Tx)良好的电导率和机械性能,借助原位硫模板法,成功制备了硫掺杂的介孔MXene薄膜自支撑负极材料。独特的介孔结构不仅可以提供大量的活性位点,而且不会牺牲Ti3C2Tx薄膜的高密度。与此同时,硫元素的掺杂可以有效提高薄膜的电导率,有利于钠离子的传输。作为自支撑负极材料,硫掺杂MXene薄膜可以直接作为钠离子电池负极而无需粘结剂、导电剂以及集流体等附加物,进一步释放了电极材料的空间,在0.1 A/g的电流密度下,能够实现625.6 mAh/cm3 的超高体积比容量。

原位硫模板法的具体步骤是借助过硫化钠在酸性环境的歧化反应,将硫纳米颗粒原位沉积在MXene片层上,再经过惰性气氛下的煅烧,除去硫纳米颗粒而留下均匀的介孔结构。通过对比硫负载MXene和消去硫之后的MXene电镜图像,可以发现硫纳米颗粒被完全地去除了,且没有二氧化钛颗粒生成,说明在煅烧过程中MXene片层并没有氧化。EDS元素分布图结果说明了改性后的MXene薄膜中硫元素分布均匀。

图1. (a,c,e)为硫负载MXene电镜图像,(b,d,f)为硫掺杂MXene电镜图像,(g-l)为硫掺杂MXene EDS mapping。

通过拉曼图像可以进一步验证,在煅烧过程中MXene基本没有氧化。而从XPS图像可以看出,更高程度的硫掺杂会带来更强的Ti-S键。Ti-S键不仅可以提高电解液的润湿性,还能提高电导率,这有利于提高钠离子电池的电化学性能。与纯MXene薄膜相比,由于硫的模板作用,SMX-100膜具有更多的介孔。值得注意的是,SMX-100膜的介孔尺寸也比硫纳米颗粒本身的大,这可以归因于硫升华过程中膜的溶胀。

图2. (a) 拉曼(PMX和SMX分别代表纯MXene和硫掺杂MXene),(b) PMX的XPS,(c的e) SMX-100的XPS,(d)SMX-50的XPS,(f)样品的孔径分布。

通过一些列电化学测试包括赝电容的计算,阻抗拟合以及扩散系数计算等测试,发现相对于纯MXene薄膜,硫掺杂MXene薄膜具有更好的动力学性能和更高的赝电容贡献。这些结果解释了硫掺杂MXene膜电极比纯MXene膜电极更好的电化学储纳性能的微观机制。

图3. 电化学测试。

湖南大学材料科学与工程学院李国豪为该文章的第一作者,解修强副教授和张楠教授为该文章的通讯作者。湖南大学材料科学与工程学院为第一完成单位,上述研究工作得到了国家自然科学基金项目的支持。

论文信息:

Surface Chemistry and Mesopore Dual Regulation by Sulfur-Promised High Volumetric Capacity of Ti3C2Tx Films for Sodium-Ion Storage

Guohao Li, Shuhan Lian, Fei Song, Shuijiao Chen, Zhenjun Wu, Xiuqiang Xie*, Nan Zhang*

Small

DOI: 10.1002/smll.202103626

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202103626