钠离子电池 | 调控MXene表面N基团助力可低温快充且稳定循环的钠离子电池

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研究速览

■ 近日，哈尔滨工业大学王振波教授课题组与华侨大学阙兰芳课题组，在国产知名期刊Nano-Micro Letters上发表题为“Tailoring Nitrogen Terminals on MXene Enables Fast Charging and Stable Cycling Na‑Ion Batteries at Low Temperature”的研究论文。该论文首次采用层间限域策略在Ti3C2 MXene层间实现N基团调控。通过密度泛函理论（DFT）验证N基团的引入使Ti3C2具有较大的层间距，诱导表面电荷再分配，增强了电导率和提供了额外Na+吸附位点。此外，Ti3C2-Nfunct不仅具有较低的钠离子扩散能垒和电荷转移活化能，而且在低温下表现出Na+-溶剂共嵌入行为，从而避开了较高的脱溶剂能垒。所合成的Ti3C2-Nfunct较原始Ti3C2,低温下表现出近两倍的储钠容量，优异的快充倍率性能和稳定的循环性能。

Part1

▉  研究摘要  ▉

■ 随着在极地、深空、高纬度高海拔地区和军事、航空等技术领域地发展，环境适应性强、高低温性能优异的储能器件具有重要研究价值。凭借低成本和良好的低温性能，钠离子电池在储能应用领域具有极大的应用潜力。然而，负极缓慢的动力学特性和严重的枝晶生成阻碍了低温下钠离子电池的应用。MXene凭借其高电子/离子传输能力、层状结构及化学稳定性，被认为是一种具有良好应用前景的负极材料。然而，MXene不利的表面基团抑制离子的传输及电荷存储能力；此外，表面基团影响枝晶的生长。

鉴于此，哈尔滨工业大学王振波教授课题组与华侨大学阙兰芳课题组报道了一种层间限域策略（interlayer confined strategy），合成了一种具有表面N基团的Ti3C2 MXene（Ti3C2-Nfunct）。通过Ti3C2层间预嵌入CTAB分子，在随后热驱动下实现层内基团的调控。在所合成的Ti3C2-Nfunct中，Ti3C2-Nfunct在低温下表现出优异的储钠能力。在-25℃、电流密度为0.5 A g-1的情况下，充电18 min获得了80%的容量，且循环5000次后容量保持率仍有80.9%。基于DFT计算，证实了Ti3C2-Nfunct性能的提高源于电荷重分配和独特的Na+扩散能垒的降低。

Part2

▉  研究要点1  ▉

■ 作者将十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)作为氮源，在溶液中预先嵌入Ti3C2层间，随后在氩气条件下，热诱导使CTAB在Ti3C2层间原位分解；热驱动下发生N基团的取代，实现表面N基团调控。这种调控过程并没有改变Ti3C2原有的晶体结构，保留了其二维层状的形貌。

▉  研究要点2  ▉

■ 作者通过对比实验证明了在引入表面N基团后，N原子向Ti原子转移更多电荷，使Ti3C2表面电荷再分配，增强了电导率和提供了额外Na+吸附位点，且Na+在Ti3C2体相内的扩散能力得到提升。

▉  研究要点3  ▉

■ 与原始Ti3C2相比，Ti3C2-Nfunct在-25℃下表现出快速充放电能力（充电18分钟获得80%容量）和优异的循环寿命（5000次循环后保持80.9%容量）。与Na3V2(PO4)2F3正极组装全电池，全电池器件在-25℃下展现最大414.14 Wh kg-1的能量密度(基于正极材料质量)，0.5C循环200次仍有88.1%的容量保持率。

Part3

▉  研究总结  ▉

■作者采用简单的层间限域策略制备了具有表面N基团的Ti3C2-Nfunct。对其结构/形貌和低温下储钠特性进行了深入研究。低温且在电流密度为0.5 A g-1的情况下，充电18 min获得了80%的容量，具有循环5000次以上的稳定性。基于DFT计算，证实了Ti3C2-Nfunct性能的提高源于电荷重分配和独特的Na+扩散能垒的降低。该项研究工作为其他二维材料在低温下构建高性能储能器件提供了参考。

文章链接：

 https://doi.org/10.1007/s40820-022-00885-7