MnOx功能化处理MXene薄膜用于柔性锌离子电池

【背景介绍】

倍率性能的高低对于先进电池来讲是必不可少的一项性能指标，尤其是应用于需要快速充电的消费电子或电动汽车领域。然而，功率密度与能量密度是两个相互独立的参数，电池具有高的能量密度但伴随着较低的功率密度，超级电容器能产生高功率密度的同时，能量密度会有大幅衰减。研发一种具有高能量密度兼备高功率密度的储能材料可以极大程度上促进可穿戴电子的应用。为了设计一种高功率密度的电池材料，电极材料的动力学需要被优化，可以根据C = αD/L2，其中D是材料的扩散率，L是扩散长度，与材料的空间维度有关。根据上述关系式，提高倍率性能包括两个基本的原则：1）设计具有高扩散率的新材料；2）优化电极材料的维度。二者相比，降低材料的维度是比较容易实现的方式，纳米尺度的电极材料因其独特的较短的离子/电子扩散路径展示出了较高的倍率性能。

【成果简介】

近日，深圳大学Han Zhang教授与德国开姆尼茨工业大学 O.G. Schmidt教授报道了一种MnOx功能化处理的Ti3C2Tx Mxene @CNTs复合薄膜电极（以Ti3SiC2为MAX相），得益于分层的独特结构，该复合材料所组成的并联纳米电路不仅优化了离子与电子的传输路径，还解决了高电流限制的问题。考虑到Mn基材料在锌离子电池中的优异性能，所制备的MnOx@Ti3C2Tx在水系锌离子电池中展现出较高的容量的同时还具有杰出的倍率性能，当电流密度扩大100倍时，容量保留率达到50%左右。除此之外，MnOx@Ti3C2Tx与CNTs制备的薄膜可以作为一种无粘结剂柔性锌离子电池的正极材料，具有良好的稳定性。

该成果在线发表于国际著名材料学期刊 Advanced Functional Materials上: Nanoscale Parallel Circuitry Based on Interpenetrating Conductive Assembly for Flexible and High-Power Zinc Ion Battery。

【图文导读】

图1 a) MnO_x@Ti₃C₂T_x合成示意图; b) 多层Ti₃C₂T_x与MnO_x@Ti₃C₂T_x 的扫描电镜图像; d)MnOx@Ti3C2Tx的元素分布:Ti, Mn和C; MnO_x@Ti₃C₂T_x e)透射图 f)高分辨透射图。

图2 MnO_x@Ti₃C₂T_x的红外光谱与Ti和Mn元素的XPS图像。

图3 MnO_x@Ti₃C₂T_xa) 0.5 mV s^-1 扫描速率下的循环伏安图像; b) 不通电流密度下恒流充放电图像; c) MnO_x@Ti₃C₂T_x,d) MnO₂, e) MnO_x@分层Ti₃C₂T_x的倍率性能；f) MnO_x@Ti₃C₂T_x 的能量密度与功率密度关系图，包括对比数据。

图4 MnO_x@Ti₃C₂T_x用于锌离子电池性能的a) GITT测试图; b) 不同扫描速率下的CV图像; c) 正负极峰电流的b值与d) 容量贡献, e) 所组装的并联电路示意图。

图5 MnOx@Ti3C2Txa) 柔性锌离子电池器件在不同弯曲角度条件下的光学照片（0~180°）; b) 不同弯曲角度下柔性电池的放电图; c) 多次弯折之后的放电图; d) 严重形变下的对比恒流充放电图, e) 柔性电池的实物展示图。

【本文总结】

         本研究所制备的MnOx@Ti3C2Tx的材料通过创新性的器件优化设计为离子与电子的传输提供了快速精准的路径，依据并联电路的原则打破了高电流的限制，使组装的柔性锌离子电池展现出了杰出的倍率性能。柔性薄膜MnOx@Ti3C2Tx电极作为柔性锌离子电池的正极具有极强的机械稳定性与功率输出能力，其高倍率与优异的柔性在可穿戴电子器件的应用中有很大的潜力。

文献链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.201901336
DOI: 10.1002/adfm.201901336

消息源：微信公众号 MXene FrontierFigure