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高储锂性能的原子层沉积SnO2/MXene复合材料

MXene是一种新型过渡金属碳化物二维晶体,具有和石墨烯类似的结构。化学式为Mn+1XnTx其中n=1、2、3,M为早期过渡金属元素,X为碳或氮元素,Tx为表面官能团(如:–OH, =O和–F)。表面结构和化学能够控制金属离子脱嵌,以优化最佳存储容量和工作电压窗口。因此,MXene表面的化学处理或装饰可以用来提高其在有机电解质电化学性能。其中,Ti3CMXene材料因其高电导率和二维结构而被广泛应用在储能设备中,如钠离子电池,锂离子电池和电容器。

近期,阿卜杜拉国王科技大学Husam N.Alshareef等人通过原子层沉积法把SnO2沉积在Ti3CMXene材料上,随后进行优化设计,再在表面沉积HfO2,得到HfO2包覆SnO2/MXene复合材料,用于锂离子电池负极,表现出优异的电化学性能。在电流密度为500 mA/g下,循环50次后,比容量高达843 mAh/g,容量保持率为92%,体现了良好的储锂性能和循环稳定性。此成果发表在国际期刊Nano Energy上(影响因子:11.553)。

高储锂性能的原子层沉积SnO2/MXene复合材料

图1. 水热合成法、溅射法和原子层沉积法制备SnO2/MXene复合材料示意图。

高储锂性能的原子层沉积SnO2/MXene复合材料

图2. 不同沉积圈数和温度下,Ti3C2MXene电极的电化学性能。(A)CV图;(B)在电流密度100 mA/g下的首圈充放电曲线图;(C)在电流密度500 mA/g下的循环性能图;(D)阻抗图。

高储锂性能的原子层沉积SnO2/MXene复合材料

图3. SnO2/MXene复合材料:(A-B)TEM图和(C)SAED 图;HfO2包覆SnO2/MXene复合材料:(D-E)TEM图和(F)SAED 图。

对于HfO2/SnO2/MXene复合材料拥有如此良好的电化学性能,作者做出了解释:(1)SnO2的理论比容量为782mAh/g,在复合材料中提供高的储锂能力;(2)Ti3CMXene能提高电极导电性能,并且缓解SnO2在充放电过程的体积膨胀;(3)HfO2钝化层能够减缓SnO2与电解质的反应,在循环过程中保持SnO2晶体结构稳定性

 材料制备过程:

Ti3C2 MXene材料:Ti2AlC和TiC(摩尔比:1:1)混合,球磨24h,再在氩气气氛下,1350℃煅烧2.5h,得到颗粒<38um 的Ti3AlC2粉末。2g MAX相粉末加入20mL 48%HF溶液中,搅拌18h。得到的溶液用去离子水洗涤至PH=6,并超声处理。最后,通过真空过滤得到MXene粉末,在70℃的真空干燥箱中干燥,并储存于真空干燥箱中。

原子层沉积SnO2 HfO2Ti3C2 Mxene,PVDF和SP按质量比80:10:10混合,在NMP溶剂中搅拌。将制备好的浆料涂在铜箔上,在真空下80℃下烘24h。将涂好Ti3C2 Mxene的铜箔放在ALD设备中,进行SnO2HfO2沉积。(具体操作见原文)

参考文献:

Bilal Ahmed, Dalaver H. Anjum, Yury Gogotsi, Husam N. Alshareef. Atomic layer deposition of SnO2 on MXene for Li-ion battery anodes, Nano Energy 34 (2017) 249–256.

 

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