DY作者：Guodong Zou
通訊作者：Bingcheng Ge, Hao Zhang, Qingrui Zhang, Carlos Fernandez, Wen Li, Jianyu Huang and Qiuming Peng
DOI:10.1039/C9TA00744J
IF：10.733 一區(qū)

本文亮點(diǎn)

MXene、物理化學(xué)、能源與燃料、微波合成、微波高壓、微波水熱

前言

2019年，Journal of Materials Chemistry A 雜志發(fā)表了燕山大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)在高性能對稱鋰離子電池。該工作報(bào)道了具有高性能對稱鋰離子電池用MXene Na0.55Mn1.4Ti0.6O4雜化物的自還原合成方法的研究。

研發(fā)背景

日益嚴(yán)重的環(huán)境問題和能源挑戰(zhàn)吸引了人們對開發(fā)綠色GX儲能系統(tǒng)的迫切需求。尋找能夠提高鋰離子電池(LIBs)性能的新材料是當(dāng)今ZJ挑戰(zhàn)性的問題之一。在此，開發(fā)了一種基于雙極材料-MXene/Na0.55Mn1.4Ti0.6O4的穩(wěn)定的對稱性LIB。這種雙極性混合材料呈現(xiàn)出典型的MXene型層狀結(jié)構(gòu)，具有較高的導(dǎo)電性，分別含有Mn4+/Mn3+(3.06 V)和Mn2+/Mn(0.25 V)兩個電化學(xué)活性氧化還原偶。

這種基于MXene/Na0.55Mn2O4的對稱全電池在迄今為止報(bào)道的所有對稱全電池中表現(xiàn)出ZG的能量密度393.4 Wh kg-1，其中它賦予了2.81 V的高平均電壓和140mAh g-1的可逆容量，電流密度為100 mA g-1。此外，在500 mA g-1的電流密度下，它在200次循環(huán)后提供了79.4%的容量保持率。這款全對稱鋰離子電池將激勵人們進(jìn)一步研究使用相同活性材料、安全性更高、成本更低、壽命更長的新型鋰離子電池。

圖標(biāo)解析

Figure 1 (a) 不同樣品的XRD圖案。(b) MXene/NMTO樣品的SEM圖像。(c)(b)的局部高倍圖像。(d) MX烯/NMTO樣品的TEM圖像，插圖對應(yīng)其SAED圖案。(e)(d)中側(cè)面區(qū)域的局部高倍TEM圖像。(f，g)分別為MX烯和MX烯/NMTO樣品的低損耗和核心損耗EELS圖譜。(h)MX烯/NMTO樣品中表面NMTO的HRTEM圖像。(i) 反應(yīng)時間對MX烯/NMTO樣品中NMTO濃度和電導(dǎo)率的影響。

Figure 2 (a)在0.01-3.0 V電壓范圍內(nèi)，以0.2 mV s-1的掃描速率，MXene/NMTO電極的CV曲線與Li/Li+。(b) MXene/NMTO樣品的放電-充電曲線。(c) 三種樣品在電流密度為100 mA g-1時的循環(huán)性能。庫侖效率只涉及MX烯/NMTO樣品。(d) 三個樣品在電流范圍為100-5000 mA g-1時的速率特性。(e) MX烯/NMTO樣品在100-5000 mA g-1電流密度范圍內(nèi)的二次放電/充電曲線。(f) MX烯/NMTO電極在電流密度為5000 mA g-1時的長期循環(huán)性能。MX烯/NMTO電極的庫侖效率僅有斑點(diǎn)。(g) MXene/NMTO復(fù)合材料與MXene基和氧化錳基陽極材料(MXene/Ag,23 Ti3C2/CNTs,30 Ti3C2Tx/NiCo2O4,31 TiO2/MXene,32 SnO2/MXene,32 MoS2/Mo2TiC2Tx,33 V2C-Co,34 Mn3O4/RGO,35 MnO2/C,36 SMOH/C,37 H-Mn3O438)的速率容量比較。

Figure 3 (a) MXene/NMTO電極在0.2 mV s-1的掃描速率下，在1.5-4.8 V與Li/Li+的電壓范圍內(nèi)的CV曲線。(b) MXene/NMTO樣品的放電/充電曲線。(c) 三個樣品在100-1000 mA g-1電流范圍內(nèi)的速率特性。(d) 兩個樣品在電流密度為100 mA g-1時的循環(huán)特性。庫侖效率只涉及MXene/NMTO樣品。(e) 兩個樣品在1000 mA g-1的電流密度下的長期循環(huán)性能。僅顯示了MX烯/NMTO電極的庫侖效率。

Figure 4 (a)MXene/NMO||MXene/NMTO對稱LIBs的示意圖。(b)在0.6-3.7 V電壓范圍內(nèi)，掃描速率為0.2 mV s-1的電極與Li/Li+的CV曲線。(c)全電池的放電/充電曲線。(d) 全電池在100-1000 mA g-1電流密度范圍內(nèi)的速率特性和庫侖效率。(e) 全電池在電流密度為500 mA g-1時的循環(huán)特性。200次循環(huán)后容量保持率仍為79.4%。插圖顯示了由MXene/NMTO對稱電池驅(qū)動的發(fā)光LED燈泡。(e)Z近報(bào)道的對稱LIBs(淡紫色陰影)和SIBs(LiVPO4F,6 Li3V2(PO4)3,7 LiNi1/Co1/3Mn1/3O2,42 Li3V1. 9Fe0.1(PO4)3,43 Na2.55V6O16,44 Na0.66Ni0.17Co0.17Ti0.66O2,45 Na0.8Ni0.4Ti0.6O2,3 Na0.6Cr0.6Ti0.4O2,46 Na2V6O16,47 NiFe2O4,48 Na3MnTi(PO4)3,49 Na3V2(PO4)3/C-BN,50 Na3V2(PO4)3/AC51)。

Figure 5 (a-d)放電過程中NMTO電極的典型形態(tài)變化。(e-h)充電過程中NMTO電極的典型形態(tài)變化。原始(i)、放電(j)和充電(k)NMTO電極的原位SAED模式。(l)NMTO的EELS光譜。

Figure 6 (a-d)放電過程中NMTO電極的典型形態(tài)變化。(e-h)充電過程中NMTO電極的典型形態(tài)變化。原始(i)、放電(j)和充電(k)NMTO電極的原位SAED模式。(l)NMTO的EELS光譜。

全文小結(jié)

綜上所述，基于MXene的自還原作用，通過簡單的微波輔助反應(yīng)合成了一種新的MXene/NMTO雜化體。通過環(huán)境球差校正電子顯微鏡，明確了晶體結(jié)構(gòu)和反應(yīng)過程。Mn2+/Mn和Mn4+/Mn3+的氧化還原偶分別占陽極和陰極反應(yīng)。利用這種低成本的雙極性電極，量身定做了一種鋰離子全電池，以滿足儲能的需求。

該全電池在所有對稱LIBs和NIBs中顯示出ZG的能量密度393.4 Wh kg-1，在所有關(guān)于對稱LIBs全電池的研究中，平均電壓ZG為2.81 V。這些關(guān)于低成本、GX率、高能量密度和高電壓鋰離子全電池的研究結(jié)果將極大地促進(jìn)儲能技術(shù)的發(fā)展，也將為設(shè)計(jì)先進(jìn)的鋰離子全電池提供新的途徑。

祥鵠科技-本文所使用產(chǎn)品

XH-8000Plus 多用途微波化學(xué)合成儀既能做常壓體系微波合成又能做高壓體系微波水熱合成。使用微波輔助的水熱反應(yīng)（高壓密閉體系）可使原本需要放在烘箱里做2~3天的反應(yīng)，在1~2小時內(nèi)就能完成，達(dá)到了幾十倍的增效，大大提高了工作效率。微波反應(yīng)的本質(zhì)是針對反應(yīng)物分子直接供能，降低活化能，觸發(fā)新的反應(yīng)通道。該儀器的工作溫度高達(dá)260℃，工作壓力高達(dá)6MPa.