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國(guó)家納米科學(xué)中心Bao-Hang Han等--多孔Ti3C2 MXene衍生陽(yáng)極增強(qiáng)鋰離子電容器動(dòng)力學(xué)

由于對(duì)高功率、高能量密度器件的迫切需求，鋰離子電容器(lic)備受關(guān)注。然而，不同電荷存儲(chǔ)機(jī)制的陽(yáng)極和陰極之間固有的不平衡阻礙了能量和功率密度的進(jìn)一步提高。MXenes是一種新型二維材料，具有金屬導(dǎo)電性、手風(fēng)琴狀結(jié)構(gòu)、層間間距可調(diào)等特點(diǎn)，在電化學(xué)儲(chǔ)能器件中得到了廣泛應(yīng)用。在這里，我們提出了一種多孔Ti₃C₂ MXenes衍生的復(fù)合材料(pTi₃C₂/C)，具有增強(qiáng)的動(dòng)力學(xué)。這種策略有效地減少了表面基團(tuán)(−F和−O)，并產(chǎn)生了擴(kuò)大的平面間距。Ti₃C₂T_x的平面內(nèi)孔隙增加了活性位點(diǎn)，加速了鋰離子擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)。得益于平面間距的擴(kuò)大和鋰離子的加速擴(kuò)散，pTi₃C₂/C作為陽(yáng)極實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的電化學(xué)性能(2000次循環(huán)后容量保持在80%左右)。此外，用pTi₃C₂/C陽(yáng)極和活性炭陰極制備的LICs顯示出110 Wh kg⁻¹的最大能量密度和4673 W kg⁻¹的相當(dāng)大的能量密度71 Wh kg⁻¹。這項(xiàng)工作提供了一種有效的策略，以實(shí)現(xiàn)高抗氧化能力和提高電化學(xué)性能，代表了在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和可調(diào)表面化學(xué)的LICs中MXene的新探索

圖1. pTi₃C₂/C-2雜化物的合成示意圖。

圖2 (a、b) Ti₃AlC₂ MAX、Ti₃C₂T_x MXene和pTi₃C₂/C復(fù)合材料的XRD圖譜;(c) Ti₃C₂T_x MXene和pTi₃C₂/C復(fù)合材料在77 K時(shí)的氮吸附等溫線;(d) Ti₃C₂T_x MXene和pTi₃C₂/C復(fù)合材料的拉曼光譜。

圖3. (a, d) Ti₃C₂T_x MXene和(b, c, e) pTi₃C₂/c -2復(fù)合材料的SEM圖像;(f)鈦，(g)碳，(h)氧和(i)鉀的EDX元素映射。

圖4 (a、b) Ti₃C₂T_x MXene、(c、d) pTi₃C₂/C-1、(e、f) pTi₃C₂/C-2、(g、h) pTi₃C₂/C-3的SEM圖像;(i)從Ti₃C₂T_x MXene到pTi₃C₂/C復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)演變。

圖5 (a)測(cè)定了Ti₃C₂T_x MXene和pTi₃C₂/C-2復(fù)合材料的XPS譜;pTi₃C₂/c-2復(fù)合材料的高分辨率(b) Ti 2p， (c) C 1s和(d) O 1s XPS譜。

圖6 (a) pTi₃C₂/C-2電極在0.1 mV s⁻¹時(shí)的CV曲線; (b) Ti₃C₂T_x和pTi₃C₂/C-2電極的充電-放電(0.1 A g⁻¹)和(c)循環(huán)性能(0.5 A g⁻¹); (d) Ti₃C₂T_x、pTi₃C₂/C-1、pTi₃C₂/C-2、pTi₃C₂/C-3電極在不同電流密度下的速率性能。

圖7 (a) pTi₃C₂/C-2電極在不同掃描速率下的CV曲線;(b) pTi₃C₂/C-2電極對(duì)數(shù)(i)與對(duì)數(shù)(ν)的線性擬合;(c) Ti₃C₂T_x和pTi₃C₂/c-2電極的Nyquist圖;(d) Ti₃C₂Tx和pTi₃C₂/C-2中的鋰離子的示意圖。

圖8 (a) AC和pTi₃C₂/C-2電極在掃描速率為1 mV s⁻¹時(shí)的半電池CV曲線;(b) pTi₃C₂/C^-2//AC器件的速率性能(基于陽(yáng)極質(zhì)量的特定容量);(c) pTi₃C₂/C-2//AC器件在2a g⁻¹的循環(huán)性能;(d) pTi₃C₂/C-2//AC器件的Ragone圖。

相關(guān)科研成果由國(guó)家納米科學(xué)中心Bao-Hang Han等人2023年發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces (https://doi.org/10.1021/acsami.2c21327)上。原文：Holey Ti₃C₂ MXene-Derived Anode Enables Boosted Kinetics in Lithium-Ion Capacitors。

轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)



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