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3D Ti3C2纳米带用于高容量钠、钾离子电池

钠离子电池(SIBs)和钾离子电池(PIBs)具有原材料丰富、成本低、高能量密度、适合的氧化还原电位等特点,被认为是LIBs潜在的替代品。石墨由于层间距不足不能用于SIBs和PIBs,进一步开发用于Na+、K+电池的高性能电极材料是一项紧迫任务。由于MXene材料具有独特的形态,高理论容量,良好的倍率性能,可调节的层间距,已成为金属(Li、Na、K、Mg)离子电池潜在的新兴电极材料。中科院大连化物所吴忠帅团队制备了层间距扩大的碱化三维(3D)多孔框架Ti3C2 (a-Ti3C2) MXene纳米带(MNRs),当其作为SIBs和PIBs的负极材料,均表现出优异的倍率性能和循环性能

3D Ti3C2纳米带用于高容量钠、钾离子电池

图1. a-Ti3C2 MNR的制备。 (a)a-Ti3C2 MNR的合成示意图,(b-d)相应的(b)Ti3AlC2,(c)Ti3C2 MNSs和(d)a-Ti3C2 MNRs的低放大倍数SEM图像。

作为SIBs负极材料,其电化学性能测试:a-Ti3C2 MNRs在电流密度为20mA/g时,显示出304mAh/g的放电容量和168mAh/g的充电容量(高于堆叠纳米片(MNSs)的270和143 mAh/g容量),放电容量接近Ti3C2 MNSs的351.8mAh/g理论容量。其倍率性能,当电流密度从20, 50, 100, 150, 200到300 mA/g时,可逆容量为分别167(第2周), 131(第12周), 108(第22周), 99(第32周), 93(第42周), 85mAh/g(第52周);优于MNSs在20, 50, 100和200mA/g电流密度下120, 101, 92和83mAh/g的容量,表明a-Ti3C2 MNRs具有良好的倍率性能。当电流密度恢复到20mA/g时,容量在60个循环后恢复到168mAh/g。a-Ti3C2 MNRs在50mA/g下经过200个循环后保持113mAh/g的高容量,表现出稳定的循环性能。在200mA/g较高的电流密度下,Ti3C2 MNRs也能在500个循环中提供稳定的循环性能轻微的容量损耗可归因于Na+离子在层间通道中的快速扩散作用,导致结构不稳定

3D Ti3C2纳米带用于高容量钠、钾离子电池

图2. a-Ti3C2 MNRs 作为SIBs负极的电化学性能。(a)CV曲线,(b)在20至300mA/g电流密度下的恒电流充放电曲线,(c)a-Ti3C2 MNRS的倍率性能,(d)在大电流密度200mA/g下,a-Ti3CMNR的长期循环性能和库仑效率。

作为PIBs负极材料,其电化学性能测试:在电流密度为20mA/g时,首次放电和充电容量为502和136mAh/g。a-Ti3CMNRs在20, 50, 100, 150, 200和300mA/g电流密度下,充电容量分别达到141(第10周), 101(第20周), 86(第30周), 77(第40周), 70(第50周)和60mAh/g(第60周)高容量。当恢复到20mA/g,60次循环后,容量恢复到119mAh/g。在200mA/g高电流密度下500个循环后保持约42mAh/g的可逆容量

3D Ti3C2纳米带用于高容量钠、钾离子电池

图3. a-Ti3C2 MNRs 作为PIBs负极的电化学性能。(a)CV曲线,(b)在20至300mA/g电流密度下的恒电流充放电曲线,(c)a-Ti3C2 MNRS的倍率性能,(d)在大电流密度200mA/g下,a-Ti3CMNR的长期循环性能和库仑效率。

a-Ti3C2 MNRs的倍率性能和长期循环性主要归因于层间距扩大,这有利于增加电荷储存和Na+/K+离子的快速扩散。 此外,短的离子扩散距离,较高的比表面积和高电子导电性,独特的3D多孔骨架也进一步增强了储钠和储钾性能。

材料制备过程:

将摩尔比为3:1.1:1.88的Ti,Al和石墨在酒精中球磨12小时,然后在70℃下空气中干燥8小时。所得混合物在石墨模具中冷压成生坯,在1550℃的Ar气氛中烧结2小时。最后,将样品自然冷却至室温。Ti3AlC2(0.5g)和60mL HF水溶液(40%)加入到可密封的塑料容器中,在培养箱振荡器摇动处理72小时,通过离心分离收集合成的Ti3C2 MNS,在60℃下真空干燥12小时。随后,Ti3CMNS(1.0g)加入120mL 6M KOH水溶液,在室温下Ar气氛的密封容器中连续振荡72h,随后60℃真空干燥24小时,获得a-Ti3CMNRs。

Peichao Lian,Yanfeng Dong, Zhong-Shuai Wu, Shuanghao Zheng, Xiaohui Wang, Sen Wang, Chenglin Sun, Jieqiong Qin, Xiaoyu Shi, Xinhe Bao, Alkalized Ti3C2 MXene nanoribbons with expanded interlayer spacing for high-capacity sodium and potassium ion batteries, Nano Energy, 2017, DOI:10.1016/j.nanoen.2017.08.002

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