Small：V基MXene用于镁锂混合电池

【研究背景】

锂离子电池（LIB）在过去的几十年中引起了广泛的关注并取得了长足的进步。但是，LIB面临着高价格，资源稀缺和安全问题，因此有必要开发一种替代能源存储设备。可充电镁（Mg）电池（RMB）被视为有前途的“超越锂离子电池”之一，这归因于其几个显着优势，即Mg²⁺的二价性质导致高容量（锂的3833 vs 2062 mAhcm^-3），地壳中丰富的镁资源以及镁金属负极的无枝晶特性使其操作安全。尽管镁比锂作为负极材料具有这些潜在的优点，但是高能量密度的RMBS的发展却受到正极材料和电解质这两个方面的阻碍。为了解决该问题，一种策略是设计一种混合电池，该电池可以使用双盐电解质通过在动力学上更有效的Li⁺或Na⁺扩散部分取代动力学上较慢的Mg²⁺嵌入/嵌出。特别地，这种混合设计可以整合Mg金属负极和Li⁺或Na⁺嵌入正极的优点，从而为设备提供更好的安全性，倍率性能和循环稳定性。最近，混合Mg²⁺ / Li⁺离子电池（MLIBs）作为一种新的电池化学方法，结合了锂离子负极的高容量，高电压和快速的Li⁺嵌入以及高容量，低成本和无枝晶的Mg负极，已经引起了电化学储能应用的极大关注。

【成果简介】

最近，北京科技大学范丽珍教授课题组在国际知名学术期刊Small上发表一篇题目为：Prelithiated V₂C MXene: A High-Performance Electrode for Hybrid Magnesium/Lithium-Ion Batteries by Ion Cointercalation的研究论文，本文首次开发了一种成本低，简单的自放电方法来制备预锂化的V₂CMXene。这种方法不仅可以显着扩大层间间距并丰富V₂C纳米片的活性位点，而且可以通过提供替代的锂源来补偿在固体电解质界面（SEI）形成过程中消耗的锂离子。正如预期的那样，使用预锂化的V₂C负极组装的LIB表现出高可逆比容量，出色的初始库仑效率（CE），循环稳定性和容量保持率。更令人印象深刻的是，预锂化的V₂C在MLIB中获得了出色的电化学性能。通过异位X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）也阐明了通过可逆Mg²⁺/ Li⁺离子共嵌入产生的潜在反应机理。

【图文导读】

图1.a）V₂CMXene和预锂化V₂C的制备过程示意图；b，c）分别为V₂AlC和V₂C的SEM图像；d）V₂C的TEM图像，插图是SAED图谱；e）预锂化10分钟后V₂C的SEM图像；f）V₂AlC，V₂C和V₂C-10的XRD图谱；V₂C和V₂C-10的g）XPS光谱，以及相应元素h-k）高分辨率XPS光谱。

图2.锂离子电池性能

图3.Mg/Li混合离子电池的性能

图4.a）在首圈循环中，处于选定充电和放电状态的V₂C-10电极的异位XRD图。首次放电和充电后，MLIB中V₂C-10电极的b）Mg 1s，c）Li 1s，d）F 1s，e）O 1s和f）V 2p的异位XPS光谱。

图5. a）Mg离子在不同V₂CO₂表面上的迁移能垒。b）Mg离子在V₂CO₂单层表面上的模拟迁移路径。

【本文总结】

本文通过一种简便，快速的自放电方法来制备具有高离子存储能力的预锂化V₂C MXene。Li⁺预嵌入可通过提供替代的锂源来有效减轻SEI形成过程中的锂消耗，并扩大MXene的层间距，从而提供丰富的活性位点和快速的离子传输通道。用作LIB的负极时，在0.05 A g^-1时具有547.5 mA h g^-1的显着可逆容量，以及80％的高初始CE，在5000次循环后可实现约98％的容量保持率。作为MLIB的正极，Mg²⁺和Li⁺的共嵌入有助于在0.02 A g^-1时具有230.3 mA h g^-1的出色可逆容量，和良好的循环寿命，在480次循环后具有82％的容量保持率。迄今为止，几乎没有报道过这种基于MXene的LIB和MLIB电极如此出色的整体性能。此外，异位XRD和异位XPS表征验证了Mg /Li共嵌入反应机理。对电池化学性质的讨论和研究为改善LIB电极的初始CE开辟了一种新方法，并阐明了MXene基材料作为高性能可充电MLIB电极候选材料的应用前景。

文献链接：

https://doi.org/10.1002/smll.201906076

信息来源： MXene Frontier