自支撑MXene@金属负极用于高性能钾电

【研究背景】

随着可穿戴电子与电动汽车的发展，锂离子电池取得了巨大成功，有限的锂资源迫使人们研究可替代的选择来确保可持续与生态发展的要求。如今，钾离子电池（KIBs）引起人们的极大兴趣，有望取代锂电池因其具有丰富的自然资源以及钾相近的工作电势(E_K⁺/_K=-2.93V, E_Li⁺/_Li=-3.04 V vs. E^o)。K⁺较大的离子半径可能会削弱其溶剂化能力以及在电解液中和电极/电解液界面的更高的离子迁移性。另一方面，更大的K⁺半径会造成在嵌钾和脱钾的过程中更大的体积变化进而影响其性能。

在众多的负极材料中，碳负极具有杰出的循环稳定性以及倍率性能。然而，较低的理论（300 mAh g^-1）容量抵消了其优势。锑（Sb）可以通过在相当安全的工作电压下形成K3Sb进而产生具有较高的可逆比容量，还具有较高的导电性以及较高的物理密度（6.7 g cm^-3），这意味着其作为钾电负极的巨大潜力。此外，地球的Sb资源丰富，其低成本和环境友好性具有更多的优势。然而，Sb负极在合金化与去合金化过程中会经历更大的体积膨胀，进而导致粉末化以及不良接触，因此容量会快速衰退。大多数的电极材料通过调浆的方式涂覆在集流体上，这会引入不导电的粘结剂以及导电剂，会严重削弱实际容量。

MXenes，作为一种新型的二维材料，以Ti₃C₂T_x为代表，因其具有高导电性，表面负电性以及杰出的插层效应引起了研究者们极大的关注。与此同时，单价或多价态的金属（如Li⁺, K⁺ 和 Al³⁺）可以实现在Ti₃C₂T_x层间的插层，占据电化学活性位点用来储能。

最近，山东大学冯金奎教授在国际知名学术期刊Journalof Materials Chemistry A上发表题目为：A general method for constructing robust, flexible and freestanding MXene@metal anodes for high performance potassium-ion batteries的研究论文。该论文通过将高导电柔性MXene纸作为集流体，提供了一个高速的电子传输路径进而促进电子的传输并限制循环过程中的体积膨胀。MXenes@Sb具有较高的可逆容量：516.8 mAh g^-1，较高的倍率性能，在500mA g^-1时具有270 mAh g^-1的容量以及稳定的容量保留率，每次充放电循环仅损失0.042%。

【图文导读】

图1. 柔性自支撑膜的制备过程

图2. 物理成分表征及微观形貌表征。

图3. MXene@Sb用于钾电负极的电化学性能测试。

图4. 复合膜的循环100圈后的数码照片，扭亏斯特图以及SEM图像。

图5. 钾离子嵌入示意图。

图6. MXene@Bi, MXene@Sn复合膜的物理成分表征。

【本文总结】

综上所述， 该工作成功在MXenes上制备了一种分层多孔的Sb，作为一种稳定的，柔性的自支撑的无粘结剂钾离子电池负极。在50 mA g^-1的点流密度下具有516.8 mAh g^-1的可逆容量，在500次循环后具有79.14%的初始容量保留率。此外，这种通用的简单的电沉积方法可以扩展到其他柔性自支撑的MXene@金属电极（MXene@Bi, MXene@Sn），这种柔性自支撑电极还可以应用于其他可充电电池，催化以及传感器领域。

文献链接：

DOI:10.1039/c9ta02233c

信息来源： MXene Frontier