大連化學物理所ACS Nano：合成鈉/鉀鈦酸鹽衍生物和Ti3C2 MXene 納米帶結構提高鈉/鉀離子電池性能

【引言】

鋰離子電池在便攜電子設備和大范圍網格儲存應用的廣泛使用，但是因其人們對有限的鋰資源，高昂的價格和安全問題的關注，使得鋰離子的應用受到很大的阻礙。鈉離子電池（SIBs）和鉀離子電池（PIBs）因為含量豐富，成本低廉，高理論電容，和相似的氧化還原電位，使得它們成為替代替代鋰離子電池的理想器件。因此，本文通過同步氧化法和堿化Ti2C3 MXene的過程，成功合成了超薄的鈦酸鈉納米帶和鈦酸鉀納米帶，并探究了其電化學性能。

【成果簡介】

近日，ACS Nano 刊登了一篇題為“Ti₃C₂ MXene-Derived Sodium/Potassium Titanate Nanoribbons for High-Performance Sodium/Potassium Ion Batteries with Enhanced Capacities”的文章，報道了中科院大連化學物理研究所吳忠帥（通訊作者）等人，采用同步氧化法和堿化Ti₃C₂ MXene的過程成功合成了超薄鈦酸鉀和鈦酸鈉納米帶。因為合適的層間距離(M-NTO為0.90 nm, M-KTO為0.93 nm)、超薄的厚度(<11 nm)，窄的納米帶寬度(<60nm)和大孔結構提高了離子嵌入/脫出動力。M-NTO在200 mA g^?1電流密度時，呈現出191 mAh g^?1的大可逆容量。比之前的Ti₃C₂ (178 mAh g^?1)和商業TiC衍生物(86 mAh g^?1)都要高。引人注目的是， M-KTO在50 mA g^?1電流密度時，呈現出151 mAh g^?1可逆容量，在300 mA g^?1電流密度時，呈現出88 mAh g^?1可逆容量，持續超過900次長期可逆穩定循環。

【圖文導讀】

圖一：SEM分析及能譜元素分析

(a-b) Ti₃C₂ MXene SEM圖像 ?(c-d) M-NTO SEM圖像 ?(e-f) M-KTO SEM 圖像

(a), (c), (e)中的插圖分別為Ti₃C₂ MXene、M-NTO、M-KTO的粉末 ?

(g), (h)分別為M-NTO、M-KTO的能譜元素分析

圖二：物理化學性能表征

(a-b) Ti₃C₂ MXene TEM圖像

(c) Ti₃C₂ MXene HRTEM圖像

(d-e)M-NTO TEM圖像

(f)M-NTO HRTEM圖像 (g-h) M-KTO TEM圖像

(i) M-KTO HRTEM圖像 (c), (f), (i)為對應的SAED圖像

圖三：XRD、拉曼、XPS分析

a.Ti3C2 MXene, M-NTO, 和M-KTO XRD圖像

b.Ti3C2 MXene, M-NTO, 和 M-KTO 拉曼譜圖

c.Ti3C2 MXene, M-NTO, 和M-KTO XPS全譜圖

d.Ti3C2 MXene和M-NTO C1 XPS譜圖以及M-KTO C 1S和K 2P XPS譜圖

圖四：在1M NaCF₃SO₃電解液中M-NTO用作SIBs的電性能表征

a.M-NTO在1 mV s^?1時的循環伏安曲線

b.M-NTO, Ti3C2 MXene, 和商業 TiC衍生物在電流密度為200 mA g^?1時的循環穩定性和庫倫效率

c.M-NTO在50至2000 mA g^?1不同的電流密度下充放電測試曲線

d.M-NTO在不同的電流密度下的倍率性能

e.M-NTO用作SIBs在200 mA g^?1電流密度時的長期循環性能

圖四：在1M KPF6電解液中M-KTO用作PIBs的電性能表征

a.M-KTO在1 mV s^?1時的循環伏安曲線

b.M-KTO在50 mA g^?1時的循環穩定性

c.M-KTO在20至300mA g^?1不同的電流密度下充放電測試曲線

d.M-KTO在不同的電流密度下的倍率性能

e.M-KTO用作PIBs在200 mA g^?1電流密度時的長期循環性能

【小結】

超薄的鈦酸鈉納米帶和鈦酸鉀納米帶通過同步氧化法和堿化Ti₃C₂ MXene的過程成功合成。因為合適的層間距離，超薄的厚度，窄的納米帶寬度和大孔結構提高了離子嵌入/脫出動力。這種轉化方法對多樣的MXene衍生物納米材料在超級電容器，電池，電催化和感應器領域應用是一種理想的方法。

文獻鏈接：Ti3C2 MXene-Derived Sodium/Potassium Titanate Nanoribbons for High-Performance Sodium/Potassium Ion Batteries with Enhanced Capacities（ACS NANO 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b01165）

本文由材料人新能源組 穆以溫 供稿，材料牛編輯整理。

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