ACS AMI：Sb2S3纳米花/MXene复合物用于钾电负极

人们对电子器件和可再生能源日益增长的需求使可充电电池需要具有较低的成本和较高的能量密度。虽然，锂离子电池已经获得了巨大的成功，但受限于地壳中有限的锂储量（仅20 ppm），其在大规模的电能储存系统中的应用前景并不乐观。钾离子电池（PIBs）是未来的替代选择，这得益于钾自然丰度（17,000 ppm）所带来的低成本。此外，钾具有较低的标准电位（-2.93 V vs.标准氢电极）与锂很相似（-3.04 V），这表明钾离子电池可以具有较高的放电电压平台和高能量密度。

研究者们致力于探索可用于钾离子电池负极的材料。主要的挑战在于大尺寸的K⁺半径（1.38埃），这导致了大多数电极较差的离子扩散性，虽然其较小的Stokes’半径可以促进电解液中离子的传输动力学。此外，在重复的K⁺嵌入和脱嵌过程中巨大的体积膨胀会导致粉化，进而造成容量衰减。在先前的报道中，含碳材料因其稳定的循环性能得到了广泛的关注。然而，碳基材料的理论容量通常较低且合成过程复杂。基于转化和合金化反应的负极材料可以产生更高的理论容量，尤其是Sb₂S₃，已经在锂/钠电中得到了广泛的研究，然而在钾电中还鲜有报道。

最近，湖南大学Quanhui Liu教授和福建海峡工业石墨烯技术研究所Bingan Lu教授在国际知名学术期刊 ACS Applied Materials Interfaces上发表题目为： A Sb₂S₃ Nanoflower/MXene Composite as an Anodefor Potassium Ion Batteries的研究论文，报道了一种通过溶剂热反应和退火处理合成的MXene表面自组装的Sb₂S₃纳米花，具有优异的储钾性能。

图1.Ti₃C₂-Sb₂S₃复合物的制备过程以及微观形貌表征。

图2. Ti₃C₂-Sb₂S₃复合物的HRTEM图像以及物理成分表征。

图3. Ti₃C₂-Sb₂S₃复合物的钾离子电池电化学性能测试。

图4. 纯Sb₂S₃在充放电过程中的原位XRD Contour图。

图5. Ti₃C₂-Sb₂S₃复合物在循环过程中的稳定性与电化学性能。

总结来看，本文所制备的Ti₃C₂ MXene表面自组装Sb₂S₃纳米花负极材料，得益于Ti₃C₂基质的高导电性以及对于体积膨胀的限制作用，基于转化与合金化反应的Sb₂S₃的高容量贡献，以及Sb₂S₃与Ti₃C₂强有力的界面接触，使其具有杰出的储钾性能。在100 mA g^-1的电流密度下可产生461 mAh g^-1的高可逆容量，在500次循环后具有79%的容量保留率的长循环寿命以及卓越的倍率性能（在2000 mA g^-1的电流密度下可以保持102 mAh g^-1的容量）。Ti₃C₂-Sb₂S₃负极启发了新的钾离子电池负极材料的设计策略与方向。

文献链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-020-19992-3

信息来源: MXene Frontier

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