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中科大宋礼课题组AM:可控层间距的V2C MXene电极的储锂研究

发布时间:2018/09/04

                                                                       

中科大宋礼课题组AM:可控层间距的V2C MXene电极的储锂研究
文章亮点:V2C MXene的层间距可以通过原子钴插层形成V-O-Co共价键进行调控。获得的具有0.735nm层间距的V2C MXene电极具有迄今为止报道的最佳的基于MXene的Li+存储容量。Co插层的V2C MXene电极表现出优异的储锂容量(1117.3mAh/g,高于V2C的理论值)和超长循环稳定性(超过15000次循环)。


【引言】

MXenes作为一个新兴的2D过渡金属碳化物家族,由于其优异的电学性能和独特的层状形态,已经引起了人们的广泛关注。因为M-A和M-X结合强度的不同,因而可以选择性地蚀刻MAX相中的“A”金属从而得到Mn+1XnTx(其中M是诸如Ti,Zr,Hf,Nb和V等的过渡金属,A元素来自第13和14组,X可以是碳或氮,Tx代表表面官能团,如羟基,氧或氟)。它在高能量密度的锂离子电池(LIB)和高功率密度的锂离子电容器(LIC)等储能装置方面非常有前景。值得注意的是,由于嵌锂和脱锂过程中的稳定相和层状结构,许多MXene电极都可能具有稳定的充放电行为,这对高性能锂储存是必不可少的。据报道,Ti3C2 MXene的理论比容量为448mAh/g,然而,大部分Ti3C2低于其理论的Li+存储容量,为了改善这一问题,科研工作者已经通过阳离子插层等方式对Ti3C2 MXene进行优化以改善其容量和稳定性。

另一方面,理论研究表明,低分子量的MXenes(如Ti2C,Nb2C和V2C)具有比M3X2和M4X3相更高的理论储锂容量。其中V2C MXene拥有高达约940mAh/g的理论比容量,这意味着它在储能应用方面具有很高的潜力。然而,V2C MXene在锂离子电池以及钠离子电容等方面所展现出的储能性能远低于其理论容量。因此,通过优化V2C或其它MXenes电极来得到高性能的储能器件仍然是研究的热点。

【成果简介】

近日,中国科学技术大学宋礼课题组在国际顶级期刊 Advanced Materials上发表 “Atomic Cobalt Covalently Engineered Interlayers for Superior Lithium-Ion Storage”的论文,第一作者是王昌达,陈双明副研究员是共同通讯作者。研究人员通过不同方式调控V2C MXene的层间距,并显著改善了其储锂性能。具体的,可控面间距为0.735 nm的V2C MXene在0.1A/g的电流密度下具有686.7mAh/g的锂离子容量,这是目前报道的最佳的基于MXene的Li+存储性能。此外,钴离子可以稳定地插入到V2C MXene的层间,将面间距增大到0.952nm并通过X射线吸收谱学(XAFS)证明了V-O-Co共价键的形成。得到的V2[email protected] MXene电极不仅在0.1A/g时具有比容量高1117.3mAh/g的优异性能,并且具有15000次充放电循环的超长稳定性。该研究表明可控调节MXenes材料的层间距将是实现它们作为高性能Li+电容器电极的有效途径。

【全文解析】

中科大宋礼课题组AM:可控层间距的V2C MXene电极的储锂研究
图1 不同层间距V2C MXenes的调控过程示意图。a)V2AlC MAX相的合成。b)V2C MXene的结构。c)由K离子插层的V2C MXene。d)Co离子插层的V2C MXene。


中科大宋礼课题组AM:可控层间距的V2C MXene电极的储锂研究
图2 V2C MXenes的结构分析。a, b)不同样品的XRD图谱。c-e)分别为V2AlC,V2C和[email protected]样品的SEM图像。f,g)V2C和[email protected] MXenes的HRTEM图像。h)[email protected] MXene的原子模型。 
中科大宋礼课题组AM:可控层间距的V2C MXene电极的储锂研究


图3 V2C MXenes的同步辐射X射线光谱分析。a)[email protected]的高分辨率Co 2p XPS谱图。b)[email protected],CoO,Co2O3和Co片的Co K-edge的XANES谱。插图:XANES谱的一阶导数。c) [email protected],CoO和Co片的Co K-edge扩展边傅里叶变换图。d)V2C MXene和[email protected]的O K-edge XANES光谱。

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图4 V2C MXenes的电化学性能。a)不同扫描速率下V2C电极的CV曲线。b)V2C和[email protected]电极的倍率性能。c)V2C和[email protected]电极的充放电性能。d)V2C和[email protected]电极的交流阻抗谱。e)V2C和[email protected]电极在不同电流密度下的循环性能和库仑效率。


中科大宋礼课题组AM:可控层间距的V2C MXene电极的储锂研究
图5 [email protected] MXene的嵌锂和脱锂过程。a)充放电过程中不同电压下的[email protected]电极的非原位XRD图谱。b)充放电过程中[email protected] MXene电极的层间距变化示意图。


【总结与展望】

研究人员实现了可控调节V2C MXene的层间距,并显著改善了其Li+存储性能。c-LP为 14.7?的V2C MXene(低于以往报道的c-LP)展现了迄今为止报道的基于MXenes的最佳Li+容量,并通过Co离子插层进一步改善了其性能。该工作同时借助XAFS手段证实了V2[email protected] MXene中形成了V-O-Co共价键,为其展现的优异循环稳定性提供了理论依据。 

Changda Wang, Hui Xie, Shuangming Chen, Binghui Ge, Daobin Liu, Chuanqiang Wu, Wenjie Xu, Wangsheng Chu, Ganguli Babu, Pulickel M. Ajayan, Li Song, Atomic Cobalt Covalently Engineered Interlayers for Superior Lithium-Ion Storage, Adv. Mater., DOI:10.1002/adma.201802525

 

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原文链接:Adv. Mater.