AEM：垂直排列Sn4+预嵌MXene用于超长寿命锌离子电容器

已传文件：photo/202081491814255.png

锌离子电容器因使用锌金属作为负极，其具有较低的氧化还原电位，环境友好以及较高的理论容量引起了研究者们广泛的关注。然而，其循环寿命以及稳定性显然不如有机电解液系统稳定，这一点主要受正极材料的影响，重复的Zn²⁺穿梭会破坏微观结构进而影响其容量。并且，结构塌陷在水系电解液中比在有机系统中甚至会更快。寻找新型的高度稳定的正极材料对于高性能锌离子电容器还是非常重要的。

2D Ti₂CT_x MXene具有最简单的原子结构，在MXene材料体系中被广泛地应用于有机电解液电池，在循环中表现出了杰出的稳定性。独特的手风琴状微观结构，亲水性，高导电性等使其在水系电池中具有较大的潜力，然而，虽然Ti基和V基MXene电极已经被应用，但相关研究仍然比较匮乏。此外，尽管MXene的2D结构可能有利于提升容量，但纳米片结构仍然具有两个缺陷：1）由于电极中MXenes的非选择性分布以及自发的重堆叠，离子因为表面势垒而无法直接嵌入到层间；2）层间距影响着离子穿梭的动力学，较大的层间距可能会增加穿梭深度。离子预嵌可以扩大层间距并因此促进离子的扩散，但是无法缩短离子扩散路径。另一方面，设计多孔结构，尤其是直接垂直分布可以促进离子的穿梭并缩短离子扩散路径。

最近，香港城市大学支春义教授与中科院宁波材料所黄庆研究员在国际高水平学术期刊 Advanced Energy Materials上发表题目为： Vertically Aligned Sn⁴⁺ Preintercalated Ti₂CT_X MXene Sphere with Enhanced Zn Ion Transportation的研究论文，该研究通过Sn⁴⁺对Ti₂CT_x MXene进行预嵌，具有增大的层间距，这种预嵌的Ti₂CT_x在碳球上排列，通过缩短离子扩散路径和增强反应动力学来进一步增强离子的传输，具有优异的稳定性。

图1.电极材料的合成过程以及形貌分析。

图2. 电极材料的物理成分表征。

图3. 所组装的锌离子电容器的电化学性能测试，电解液为LiTFSI+Zn（CF₃SO₃）_2。

图4. 所组装的锌离子电容器的自放电性能。

图5. 所组装的锌离子电容器的电化学反应机理探究。

图6. 准固态锌离子电容器的组装。

综上所述，表面势垒造成的堆叠与限制的层间距是MXenes应用于储能系统的两个主要问题，研究者们设计了垂直排列的Sn⁴⁺预嵌的Ti₂CT_xMXene在碳球的外表面。由于消除了表面势垒并有效地扩大了层间距，大大缩短了Zn离子扩散的路径，提高了反应动力学。所制备的Zn/MXene电容器实现了12500次循环的超长循环，并且在超过2800小时中只有5%的容量浮动，优于目前报道的在有机与水系系统中所有的MXenes电极。此外，较低的电压降低速率 0.989 mV h^-1以及容量降低速率0.035 % h^-1证明了杰出的自放电性能。所组装的基于PAMHC水凝胶电解质的准固态锌离子电容器可以在各种恶劣条件下安全进行。

文献链接：

https://doi.org/10.1002/aenm.202001394