3D海胆状二氧化钛@氮掺杂碳/Fe硫化物用于锂电负极

【研究背景】

       可充电锂离子电池(LIBs)在过去的几十年获得了科研工作者持续的关注，锂电超高的能量密度与超长的循环稳定性是可穿戴电子设备与电动/混合汽车的可靠能源供给系统。作为最重要的组成部分之一，电极材料对于提升LIBs的电化学性能具有举足轻重的作用。二氧化钛(TiO₂)得益于杰出的结构稳定性、可忽略的体积膨胀以及合适的嵌锂/脱锂电位-可以避免锂沉积，是一种非常优异的LIBs负极。更重要的是，TiO₂的电化学性能可以通过形貌特征和几何维度来控制。

       MXenes是一种新兴的2D层状过渡金属碳化物/氮化物。作为第一种MXene材料，Ti₃C₂T_x因其卓越的导电性以及独特的2D层状结构，是锂电负极的理想选择之一。最近，作为一种理想的前驱体，其众多的Ti原子可以作为TiO₂的成核位点，进而通过氧化的方式生成TiO₂。

【成果简介】

     最近，华东师范大学潘丽坤教授在国际知名学术期刊Chemical Engineering Journal上发表题目为：3D TiO₂@nitrogen-doped carbon/Fe₇S₈ composite derived from polypyrrole-encapsulated alkalized MXene as anode material for high performance lithium-ion batteries的研究论文。该研究先通过将吡咯单体原位聚合在碱化的Ti₃C₂T_x上的方式制备前驱体，在通过700℃高温下硫化得到复合材料。该复合电极应用于锂电时，在0.1 A g^-1的电流密度下具有高达516 mAh g^-1的可逆容量，同时，在4A g^-1的高电流密度下，经过1000次充放电循环，可以保留282 mAh g^-1的可逆容量。这种杰出的性能可归因于独特的3D海胆状具有良好结构稳定性的TiO₂，可以提供足够的空间促进电极和电解液的接触，缩短锂离子扩散路径与限制体积膨胀。N掺杂碳可以提升导电性，促进电子的转移以及阻止Fe₇S₈的堆积。

【图文导读】

图1. TONCS 异质结的合成过程

图2. (a-b) alk-Ti₃C₂，（c-d）PPy/alk-Ti₃C₂，(e-f) TONCF的SEM图像。(g) TONCF的Ti,O, C, N, Fe and S 的元素mapping。

图3.  TONCF的(a-b) TEM, (c-d)HRTEM。

图4.  TONCFS的(a)XPS全谱，（b-f）Fe 2p, S 2p, Ti 2p, C 1s and N 1s的分峰情况。

图5. TONCF(a)在0.2mV s^-1扫描速率下的CV图像，(b)100mA g^-1的电流密度下充放电图像，(c-d) TONCFS,TONC 和TO的循环与倍率图像，(e)TONCFS在4 A g^-1的电流密度下的循环稳定性测试。

图6 (a)TONCFS, TONC 和 TO循环100次循环后的交流阻抗测试以及电化学行为分析与计算。

【本文总结】

综上所述，所制备的3DTONCFS材料具有杰出的储锂性能，这种杰出的性能可归因于独特的3D海胆状具有良好结构稳定性的TiO₂，可以提供足够的空间促进电极和电解液的接触，缩短锂离子扩散路径与限制体积膨胀。N掺杂碳壳层可以提升导电性，促进电子的转移以及阻止Fe₇S₈的堆积，而Fe₇S₈在充放电过程中提供了较高的容量，因此，TONCFS是一种非常有潜力的锂电负极材料。

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.123394

信息来源： MXene Frontier