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合肥研究院在新型二維V4C3Tx邁科烯制備及其電化學儲能方面取得進展

文章來源:合肥物质科學研究院   發布時間:2019-07-11  【字號:     】  

  近期,中國科學院合肥物质科學研究院固体物理研究所功能材料研究室科研人员成功制备了新型二维V4C3Tx 邁科烯(MXene)材料並研究了其在锂離子電池中的應用。相關研究成果以Synthesis and lithium ion storage performance of two-dimensional V4C3 MXene 爲題發表在Chemical Engineering Journal 雜志上。

  在電化學儲能技術中,锂離子電池因兼具能量密度高、循環壽命長以及環保無汙染等特點而廣泛應用在人們的生活中,如可移動電子設備、電動汽車、電網儲能等。隨著社會經濟的發展,當前以石墨、钛酸锂等爲負極材料的商用锂離子電池越來越難以滿足人們對電池容量的需求,開發新型電極材料顯得尤爲重要。目前,新型二維MXene材料因具有比表面積大、導電性好、離子擴散速率高等特點在作爲锂離子電池負極材料時顯示出巨大的應用潛力,引起了相關科研人員的廣泛關注。

  MXene是通過選擇性地刻蝕其前驅體MAX相化合物(化學通式爲Mn+1AXn,其中M爲前過渡金屬元素,如Ti、V、Nb、Mo等;A爲主族元素;XCN元素;n = 1, 2, 3)中的“A”元素而制得的一類二維材料,常見的MXene材料有Ti3C2Tx、Ti2CTx、V2CTx、Nb2CTx、Nb4C3Tx等,Tx代表材料表面的官能團,如-OH、-O、-F等。在研究較爲廣泛的MXene材料中,具有大的層間距和比表面積是獲得較好锂電性能的關鍵因素。通常,人們采用插層劑將多層MXene剝離爲少層甚至單層來獲得大的層間距和比表面積,然而上述方法得到的這種少層甚至單層MXene的穩定性較差,影響著材料的實際應用。研究表明,隨著Mn+1XnTxn (n = 1, 2, 3)值的增加,MXene的穩定性有明顯的提高,因此探索並研究具有M4X3TxMXene材料具有重要的實際意義。

  爲獲得大比表面積、大層間距、高穩定性的MXene材料,固體所研究人員選擇MAXV4AlC3爲前驅體,采用球磨和氫氟酸刻蝕相結合的工藝,獲得了尺寸大小(400nm-50μm)和層間距(0.434-0.9nm)可控的新型二維V4C3Tx MXene材料,並對該類材料的結構、形貌、穩定性以及锂電性能進行了較爲系統的研究。研究結果表明,通過氫氟酸選擇性刻蝕獲得了具有高穩定性的多層V4C3Tx MXene材料,而且球磨工藝的加入使得上述多層V4C3Tx 得到充分碎化,從而顯著增大了其比表面積和層間距,爲锂離子存儲和輸運提供了更多活性位點和更快的傳輸通道,最終使得該類二維材料表現出較好的锂電性能。在電流密度爲100 mA g-1下經過300次充放電後,V4C3Tx MXene材料的比容量爲225 mAh g-1,同時表現出較好的倍率性能。該工作爲後續VMXene材料在锂/鈉離子電池領域的應用提供了重要的參考價值。

  該項研究工作得到國家自然科學基金和國家重點研發計劃的支持。

  文章鏈接

 

V4C3Tx MXene 材料制备示意图及相关锂电性能 




(責任編輯:葉瑞優)

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