一分钟内充满57%！亚微米Ti2CTx MXene作为锂离子电池负极材料实现超快充放电

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北科纳米可提供亚微米Ti2CTx MXene（可定制）

文 章 信 息

亚微米Ti₂CT_x MXene作为锂离子电池的高倍率插层型负极材料

第一作者：崔聪

通讯作者：王晓辉*

单位：中国科学院金属研究所，中国科学技术大学，郑州大学

研 究 背 景

开发具有高倍率性能的锂离子电池对于实现便携式电子设备和电动汽车快速充放电具有重要意义。锂离子电池的倍率性能主要取决于电极材料的倍率性能。

对于正极材料，LiFePO₄、Li(Fe_0.5Mn_0.5)PO₄、Li_1.2Ni_0.13Mn_0.54Co_0.13O₂等均具有较好的倍率性能。然而，目前最为广泛应用的负极材料石墨与硅则倍率性能较差。Li₄Ti₅O₁₂虽然具有较高的倍率性能，但是其理论比容量偏低，且放电电位较高。因此，开发新一代具有高倍率性能、高比容量与高循环稳定性的负极材料具有重要意义。

文 章 简 介

基于此，来自中国科学院金属研究所的王晓辉研究员与郑州大学的范冰冰副教授在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Submicron Ti2CT_x MXene Particulates as High-Rate Intercalation Anode Materials for Li-Ion Batteries”的文章。该文章报道了通过刻蚀熔盐法合成的Ti₂AlC，得到亚微米级Ti₂CT_x MXene的方法。文章重点分析了熔盐中Ti2AlC的形成机制与亚微米Ti₂CT_x MXene的高倍率性能机制，并且制备了基于Ti₂CT_x的高倍率自支撑柔性电极，为其在柔性电子设备中应用奠定了基础。

图1. TiH₂、Al和纳米碳黑在等摩尔比KCl/NaCl熔盐中形成Ti₂AlC MAX相的示意图。金属元素不断向熔盐中溶解，最终向纳米碳黑扩散形成了Ti₂AlC

图2. (a) 熔盐法合成Ti₂AlC的扫描照片, (b) 亚微米Ti₂CT_x的扫描照片，(c) 亚微米Ti₂CT_x的透射照片， (d) Ti₂AlC与亚微米Ti₂CT_x的XRD图谱，(e) Ti₂AlC与亚微米Ti₂CT_x的氮气等温吸附/脱附曲线

图3. 亚微米Ti₂CT_x的XPS光谱。(a) Ti 2p，(b) O 1s，(c) F 1s，(d) Cl 2p

图4. 亚微米Ti₂CT_x的电化学性能表征。(a) 不同电流密度下的恒流充放电曲线，(b) 电化学性能比较，(c) 高电流密度下循环稳定性表征

图5. 微米级大尺寸Ti₂CT_x (l-Ti₂CT_x)与亚微米级小尺寸Ti₂CT_x (s-Ti₂CT_x)电化学行为比较研究。(a) s-Ti₂CT_x在0.1 mV s-1扫描速率下的循环伏安曲线，不同扫描速率下(b) s-Ti₂CT_x与(c) l-Ti₂CT_x循环伏安曲线，(d) 电容行为对容量贡献比例，(e) 恒电流间歇滴定曲线，(f) 不同电位下测得锂离子扩散系数

图6. 不同电位下s-Ti₂CT_x的交流阻抗谱。(a) 未经循环的新制电池，(b) 3.0 V，(c) 2.25 V，(d) 1.5 V，(e) 0.75 V，(f) 0.05 V，(g) 新制电池与3.0 V下测得交流阻抗谱拟合电路，(h) 2.25~0.05 V测得交流阻抗谱拟合电路

图7. (a) 电压曲线与对应的非原位XRD图谱，(b) DFT计算Ti₂CO₂Li_x锂化过程电压曲线，(c) s-Ti₂CT_x的(002)衍射峰与对应的层间距随着充放电电压演化过程

图8. s-Ti₂CT_x/SWCNTs自支撑柔性电极表征。(a) 光学照片，(b) 扫描照片，(c) 倍率性能，(d) 循环性能

本 文 要 点

要点一：Ti₂AlC在熔盐环境中的形成机制

通过分析不同温度下XRD图谱、拉曼光谱、扫描形貌与对应的能谱元素面分布图结果，确定了熔盐中金属元素向碳元素扩散的Ti₂AlC形成机制。通过使用微米级碳源进行比较研究，进一步确认了该反应机制的合理性。

要点二：亚微米Ti₂CTx实现高倍率性能机制

亚微米Ti₂CT_x在10 A g^-1的电流密度下，其比容量仍能达到155 mAh g^-1，这样高的倍率性能超过了大部分未经改性的MXene，甚至是部分改性的MXene。通过对比亚微米Ti₂CT_x与微米级Ti₂CT_x的电化学行为特点，确定了低电位下更高的锂化/去锂化活性是亚微米Ti₂CT_x实现高倍率性能的关键。

要点三：基于堆垛体Ti₂CT_x柔性电极的设计制备与应用探索

亚微米Ti₂CT_x除了具有高倍率性能外，还可以通过与单壁碳纳米管复合制备成具有良好柔性的自支撑薄膜电极，该柔性电极在5 A g^-1的电流密度下可以实现173 mAh g^-1的高比容量并且展现出良好的循环稳定性。该方法可以进一步拓展到制备磷酸铁锂柔性正极制备中，进而与预锂化的Ti₂CT_x柔性负极组成高首次库伦效率的柔性电极全电池，为Ti₂CT_x在柔性电子设备中应用奠定了良好的基础。

通 讯 作 者 简 介

王晓辉 研究员简介：1997年本科毕业于郑州大学化学系，博士就读于中国科学院金属研究所，师从周延春研究员，随后在日本国立材料科学研究所（NIMS）与日本东北大学多元物质科学研究所从事博士后研究工作，2007年加入中国科学院金属研究所。长期从事结构陶瓷和储能材料的研究和开发。以通讯作者身份在Chemical Society Reviews、Nano Letters、ACS Nano等学术刊物上发表数十篇研究论文。至今已发表论文130余篇，被引用8000余次，H因子45。

课 题 组 介 绍

王晓辉研究员课题组长期从事结构陶瓷材料与电化学储能材料的研发，如MAX相陶瓷、MXene、LiFePO₄等。

文 章 链 接

Submicron Ti₂CT_x MXene Particulates as High-Rate Intercalation Anode Materials for Li-Ion Batteries

https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2022/ta/d2ta03050k