楊建，南京工業(yè)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，長(zhǎng)期從事結(jié)構(gòu)－功能一體化材料的應(yīng)用基礎(chǔ)研究：微波功能材料，先進(jìn)陶瓷及其成型技術(shù)，二維過渡族金屬碳（氮）化物，電化學(xué)儲(chǔ)能材料。

研究背景

便攜式電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能電站的快速發(fā)展刺激了對(duì)高能量密度和高安全性鋰離子電池（LIBs）日益增長(zhǎng)的需求。然而，主要商用石墨負(fù)極材料具有理論比容量低（372 mAh g^-1）和鋰枝晶生長(zhǎng)等問題極大地限制了鋰離子電池的發(fā)展。此外，在LIB負(fù)極的傳統(tǒng)制備工藝中，導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑的使用不僅會(huì)犧牲能量密度，破壞導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，還會(huì)導(dǎo)致工藝復(fù)雜化。因此，開發(fā)高容量、無添加的新型鋰離子電池陽(yáng)極意義重大。

成果簡(jiǎn)介

鑒于此，南京工業(yè)大學(xué)楊建教授在ACS Applied Materials & Interfaces期刊上發(fā)表了題為“Additive-Free Anode with High Stability: Nb₂CT_x MXene Prepared by HCl-LiF Hydrothermal Etching for Lithium-Ion Batteries”的研究論文。本文開發(fā)了一種粘度可調(diào)的有機(jī)F-Nb₂CT_x墨汁，直接作為無添加劑LIBs負(fù)極具有優(yōu)異的長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性。首先，本研究選擇了理論比容量（542 mAh g^-1）更高的新型Nb₂CT_x MXene，采用簡(jiǎn)單的一步HCl-LiF水熱腐蝕法制備了高質(zhì)量的F-Nb₂CT_x納米片，其電導(dǎo)率可達(dá)500 S cm^-1。其次，利用HCl誘導(dǎo)絮凝和NMP處理進(jìn)一步制備了粘度可調(diào)的有機(jī)F-Nb₂CT_x墨汁。將F-Nb₂CT_x墨汁直接作為無添加劑LIBs負(fù)極時(shí)，其在1 A g^-1條件下循環(huán)5000次后，可逆比容量為444.0 mAh g^-1，表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)性能。

研究亮點(diǎn)

1. 采用HCl-LiF水熱腐蝕法制備了高質(zhì)量F-Nb₂CT_x納米片，其電導(dǎo)率高達(dá)500 S cm^-1，提升了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

2. 成功制備了粘度可調(diào)的有機(jī)F-Nb₂CT_x墨汁，可直接作為無添加劑LIBs負(fù)極。

3. 有機(jī)F-Nb₂CT_x墨汁在1 A g^-1條件下循環(huán)5000次后，可逆比容量為444.0 mAh g^-1，表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)性能。

4. F-Nb₂CT_x在充放電過程中表現(xiàn)出有趣的原位電化學(xué)氧化現(xiàn)象。

圖文解讀

圖1. M-Nb₂CT_x和F-Nb₂CT_x納米片、懸浮液及薄膜的相關(guān)表征。

圖2. F-Nb₂CT_x的XRD圖譜、N₂吸附/解吸曲線和孔徑分布及XPS光譜。

圖3. F-Nb₂CT_x墨汁的流變性、F-Nb₂CT_x和F-Nb₂CT_x墨汁電極的電化學(xué)性能。

圖4. F-Nb₂CT_x和F-Nb₂CT_x墨汁電極的電荷存儲(chǔ)機(jī)制分析。

圖5. F-Nb₂CT_x和F-Nb₂CT_x墨汁電極循環(huán)前后的相關(guān)表征。

總結(jié)展望

本研究采用簡(jiǎn)單的HCl-LiF水熱腐蝕法制備了高質(zhì)量的F-Nb₂CT_x納米片，其橫向尺寸大（0.5-1 μm），缺陷少，電導(dǎo)率高達(dá)500 S cm^-1，比之前報(bào)道的Nb₂CT_x 高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，通過HCl誘導(dǎo)絮凝和NMP處理進(jìn)一步制備了粘度可調(diào)的有機(jī)F-Nb₂CT_x墨汁。將F-Nb₂CT_x墨汁直接用作不含添加劑的LIBs負(fù)極時(shí)，表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)性能，在0.5 A g^-1條件下循環(huán)500次后，比容量為524.0 mAh g^-1，在1 A g^-1條件下循環(huán)5000次后，比容量為444.0 mAh g^-1。有趣的是，F(xiàn)-Nb₂CT_x納米片在循環(huán)過程中發(fā)生了原位電化學(xué)氧化，使其容量逐漸增加。對(duì)于倍率性能，在5 A g^-1的高電流密度下獲得了159.8 mAh g^-1的比容量，當(dāng)電流密度恢復(fù)到0.5 A g^-1時(shí)，實(shí)現(xiàn)了約95.65%的出色容量保持率。這項(xiàng)研究提出了一種簡(jiǎn)單且可擴(kuò)展的制備高質(zhì)量Nb₂CT_x及其水系/有機(jī)墨汁的工藝，證明了其作為電化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備電極的重要應(yīng)用潛力。