Ti3C2Tx MXene陽極由于其離子傳輸動力學緩慢，經常面臨低容量的巨大挑戰。本文報道了Ti3C2Tx MXene中碘-氧化還原-化學調制的智能離子傳輸通道，使其鋰離子存儲能力超出理論容量。在Ti3C2Tx表面修飾的−I末端(I−Ti3C2Tx)在充電后期被氧化成線性的−I3，極大地擴大了Ti3C2Tx的層間距，加速了鋰離子的提取。同時，這種自擴展的離子輸運通道更有利于鋰離子在隨后的放電過程中插入，在此過程中−I末端被再生。在Ti3C2Tx MXene中，−I和−I3端之間的電壓響應和可逆轉換實現了離子傳輸通道的智能雙向調節。因此，I - Ti3C2Tx提供高容量(在0.1 a g−1時容量是原始Ti3C2Tx的1.8倍)，出色的速率能力(在2.0 a g−1時容量是原始Ti3C2Tx的4.5倍)，以及長期循環穩定性(在1.0 a g−1時超過800次循環)，即使在一個完整的電池(300.7 mAh g−1在0.1 a g−1)和寬溫度環境中。為實現Ti3C2Tx MXene的實際容量最大化提供了一種有效的方法。
圖1. 智能離子通道的理論計算及原理圖。(a)−I3終端存在時層間距離的優化。(b) Ti3C2−I和(c) Ti3C2−I3模型上Li原子通過不同途徑的相應擴散勢壘分布圖。(d) Li原子在Ti3C2−O、Ti3C2−I和Ti3C2−I3模型上的擴散勢壘比較。(e)表面吸附Li原子的Ti3C2−O、Ti3C2−I和Ti3C2−I3模型的電荷密度差圖。藍色和黃色的云分別代表缺電子和富電子的區域。(f) I−Ti3C2Tx中智能離子傳輸通道示意圖。
圖2. I−Ti3C2Tx的結構和組成表征(a) TEM， (b,c) HRTEM， (d) HAADF圖像以及I−Ti3C2Tx的元素映射。(e) I−Ti3C2Tx和Ti3C2Tx的XRD譜圖。(f) I−Ti3C2Tx的高分辨率i3d XPS光譜。(g) I - Ti3C2Tx和Ti3C2Tx的高分辨率ti2p XPS光譜。(h) I−Ti3C2Tx和Ti3C2Tx的k3加權EXAFS譜的傅里葉變換。(i) Ti3C2Tx和i−Ti3C2Tx的小波變換等值線圖。(j) I−Ti3C2Tx、Ti3C2Tx和Ti3C2Tx−350°C的Zeta電位。(k) I−Ti3C2Tx和(l)原始Ti3C2Tx的KPFM圖像。(m) I−Ti3C2Tx和原始Ti3C2Tx測得的CPD。
圖3. 深入分析了I−Ti3C2Tx在放電和充電過程中碘末端的可逆轉化。(a) I−Ti3C2Tx的CV曲線。(b)不同電壓下I - Ti3C2Tx的高分辨率i3d和(c) ti2p XPS光譜。(d) I−Ti3C2Tx在第五周期的電壓依賴拉曼光譜。
圖4. I−Ti3C2Tx第10次旋回的結構演化。(a) Ti3C2Tx (b)和I - Ti3C2Tx (c)的充放電曲線和隨電壓變化的XRD譜圖。(d) I - Ti3C2Tx對應的映射圖。Ti3C2Tx (e,f)和I - Ti3C2Tx (g,h)完全放電(0.01 V)和完全充電(3.0 V)的HRTEM圖像。
圖5. I−Ti3C2Tx和Ti3C2Tx用于鋰離子電池的電化學性能(a) I−Ti3C2Tx的恒流放電/充電電壓曲線。(b) 0.1 A g−1時I−Ti3C2Tx和Ti3C2Tx的循環性能。(c) I−Ti3C2Tx與Ti3C2Tx在0.1 ~ 2.0 A g−1電流密度范圍內的速率性能比較。(d)速率測試后I−Ti3C2Tx在1.0 A g−1下的循環性能(插入:前10次和后10次循環的時間-電壓曲線)。(e)在0.05 A g−1溫度下，I−Ti3C2Tx在40 ~ 0℃不同溫度下的比容量和相關容量保持率。(f)電荷轉移能壘，(g)鋰離子擴散系數，(h) Tafel圖，(i)虛阻抗隨對數的代表性圖(f) (Debye圖)，(j) i−Ti3C2Tx和Ti3C2Tx的贗電容貢獻。
圖6. LiFePO4//I−Ti3C2Tx的全電池性能。(a) LiFePO4//I−Ti3C2Tx中智能鋰離子傳輸通道示意圖。(b) LiFePO4//I−Ti3C2Tx和LiFePO4//Ti3C2Tx全電池的循環性能和(c)倍率性能。(d)基于Ti3C2Tx電極的LiFePO4//I−Ti3C2Tx、LiFePO4//Ti3C2Tx和已報道的基于Ti3C2Tx電極的全電池的重量能量密度與功率密度的Ragone圖。(e)光學圖像顯示了由組裝的LiFePO4//I−Ti3C2Tx全電池驅動的發光LED屏幕。(f)活化后LiFePO4//I−Ti3C2Tx在0 ~ 40℃范圍內電流密度為0.1 A g−1時的循環性能。
相關科研成果由北京理工大學, Minhua Cao，Jinwen Qin，Zhenhua Wang等人于2024年發表在Energy Storage Materials（https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103209）上。原文：Iodine-Redox-Chemistry-Modulated Intelligent Ion Transport Channels in MXene Enables Energy Storage Beyond Theoretical Capacity
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103209
轉自《石墨烯研究》公眾號
