MXenes因具有更低的鋰離子擴(kuò)散勢(shì)壘和優(yōu)異的導(dǎo)電性被認(rèn)為是新一代鋰離子電池負(fù)極材料。然而，它們的結(jié)構(gòu)易發(fā)生團(tuán)聚和堆積，阻礙鋰離子和電子的進(jìn)一步穿梭，導(dǎo)致放電容量較低。因此引入層間間隔物制備MXene基雜化材料受到廣泛關(guān)注。引入普魯士藍(lán)類似物（PBAs）作為新型層間間隔物與MXene納米片結(jié)合，不僅可以保留MXene的高導(dǎo)電性并抑制PBA組分的體積膨脹和結(jié)構(gòu)降解，還可以繼承PBA比表面積大、孔隙率高的特點(diǎn)。通過(guò)智能調(diào)控MXene片層的尺寸，成功獲得了既具有常見(jiàn)的夾層結(jié)構(gòu)又具有優(yōu)異的核殼結(jié)構(gòu)的Co-PBA@MXene雜化材料。此外，通過(guò)智能控制Co-PBA與MXene的質(zhì)量比，智能調(diào)節(jié)MXene殼層厚度，制備出Co@M(x:y)雜化材料。其中，Co@M(5:2)負(fù)極表現(xiàn)出優(yōu)異的容量（100次循環(huán)后，在0.2 A g-1下為603 mA h g-1）和優(yōu)異的長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性，這得益于MXene殼層提供的保護(hù)和導(dǎo)電性能以及Co-PBA核層的多氧化還原對(duì)和豐富的孔隙率。
圖 1. 制備不同結(jié)構(gòu)的Co-PBA/MXene和Co-PBA/GO混合物的示意圖。
圖 2. a1) Co/M(5:2) 夾層結(jié)構(gòu)、b1) Co@M(5:1)、c1) Co@M(5:2) 和 d1) Co@M(5:3) 核殼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)模型。a2-a3) Co/M(5:2) 夾層結(jié)構(gòu)、b2-b3) Co@M(5:1)、c2-c3) Co@M(5:2) 和 d2-d3) Co@M(5:3) 核殼結(jié)構(gòu)的 SEM 圖像。a4) Co/M(5:2) 夾層結(jié)構(gòu)、b4) Co@M(5:1)、c4) Co@M(5:2) 和 d4) Co@M(5:3) 核殼結(jié)構(gòu)的 TEM 圖像。 a5) Co/M(5:2) 夾層結(jié)構(gòu)、b5) Co@M(5:1)、c5) Co@M(5:2) 和 d5) Co@M(5:2) 核殼結(jié)構(gòu)的 HR-TEM 圖像。a6) Co/M(5:2) 夾層結(jié)構(gòu)和 d6) Co@M(5:2) 核殼結(jié)構(gòu)的 EDS 元素映射圖像。
圖3. a) XRD 譜圖 b) 拉曼光譜 c) Co-PBA、MXene、Co/M(5:2)、Co@M(5:1)、Co@M(5:2) 和 Co@M(5:3) 的 FTIR 曲線。d) Co-PBA、Co/M(5:2) 和 Co@M(5:2) 的 Co 2p 光譜。e) MXene、Co/M(5:2) 和 Co@M(5:2) 的 Ti 2p 光譜。f) Co-PBA、MXene 和 Co@M(5:2) 的 C 1s 光譜。
圖 4. a) Co@M(5:2) 在 0.01-3.0 V (vs Li+/Li) 范圍內(nèi)的 CV 曲線，掃描速率為 0.1 mV s−1。b) Co@M(5:2) 在 200 mA g−1 下的 GCD 曲線。c) 所得 Co@M(5:2) 負(fù)極在 200 mA g−1 下的循環(huán)性能。d) MXene、Co/M(5:2)、Co@M(5:1)、Co@M(5:2) 和 Co@M(5:3) 負(fù)極在 200 和 500 mA g−1 下經(jīng)過(guò) 100 次循環(huán)后的循環(huán)性能匯總柱狀圖。e) 所得 MXene、Co-PBA、Co/M(5:2)、Co@M(5:1)、Co@M(5:2) 和 Co@M(5:3) 負(fù)極的倍率能力。 f) 循環(huán)后獲得的陽(yáng)極的奈奎斯特圖。g) Co@M(5:2) 陽(yáng)極在 1 A g-1 下的長(zhǎng)期循環(huán)性能。h) 將本研究中的循環(huán)性能與最近報(bào)道的 LIBs 中的 MXene/MOF 混合物進(jìn)行比較，該比較來(lái)自表 S2（支持信息）。
圖 5. a) MXene、b) Co-PBA、c) Co/M(5:2)夾層結(jié)構(gòu)、d) Co@M(5:2)核殼結(jié)構(gòu)在循環(huán)過(guò)程中鋰離子插入和脫出過(guò)程中結(jié)構(gòu)變化示意圖。e,f) Co@M(5:2)結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)鋰機(jī)制示意圖。
圖 6. a) Co@M(5:2) 負(fù)極在 200 mA g−1 下的 GCD 曲線。b) Co@M(5:2) 負(fù)極的原位 XRD 表征。c,d) 相應(yīng)的原位 XRD 計(jì)數(shù)器。e) Ti 2p 光譜。f) 循環(huán)后 MXene 和 Co@M(5:2) 負(fù)極的 Li 1s 光譜。g-i) Co-PBA、MXene 納米片和 Co@M(5:2) 混合物的模型。j) 鋰離子吸附能圖。k) Co-PBA、MXene 納米片和 Co@M(5:2) 混合物的 DOS 圖。
相關(guān)科研成果由揚(yáng)州大學(xué)Huan Pang，薩斯喀徹溫大學(xué)Jinbing Cheng等人于2024年發(fā)表在Advanced Materials（https://doi.org/10.1002/adma.202416665）上。原文：Prussian Blue Analogues “Dressed” in MXene Nanosheets Tightly for High Performance Lithium-Ion Batteries
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202416665
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
