电工所在高性能MXene基锂离子电容器研究中获进展

2021-07-30 15:50  来源:电工研究所  浏览:  

近日,中国科学院电工研究所马衍伟团队在高性能MXene复合材料制备、MXene基锂离子电容器研制方面取得新进展,相关研究成果发表在《先进功能材料》上。

MXene作为一种新型二维过渡金属碳化物,具有与石墨烯类似的结构特点,在储能领域得到广泛研究。然而,MXene本身比容量低,因此构建合理的纳米结构、保留二维材料特征、引入高储锂容量成为MXene在高性能电极材料应用方面的挑战。

前期,研究团队利用剥离Ti3C2Tx MXene时使用的四丁基铵离子(TBA+)作为阳离子中间体,有效削减Ti3C2Tx和氧化石墨烯(GO)之间的静电斥力,使两种二维材料形成面对面排列结构,制备出具有优异比容量和倍率性能的Ti3C2Tx/rGO复合负极材料(Sci. Bull. 2021, 66, 914-924)。在此基础上,科研团队利用水热法制备热力学稳定的1T相MoS2,并在二维Ti3C2Tx上原位生长,制备出1T-MoS2/d-Ti3C2Tx二维复合纳米材料。在水热过程中TBA+嵌入MoS2层间,扩大层间距离的同时为MoS2注入额外电荷诱导其从2H向1T相转变。扩展的层间空间及1T相MoS2的金属导电性为锂离子在1T-MoS2/d-Ti3C2Tx的扩散降低了能量势垒,有效弥补了正负极之间的动力学差异。此后,研究人员采用1T-MoS2/d-Ti3C2Tx作为负极,多孔石墨烯作为正极,组装成的高性能锂离子电容器能量密度最高可达188 Wh/kg,功率密度最高可达13 kW/kg(以上数据基于电极材料质量),5000次充放电循环后容量保持率为83%。研究表明,1T-MoS2/d-Ti3C2Tx作为高性能锂离子电容器的负极材料具有较好的应用前景,为高性能锂离子电容器的开发提供了新思路。

研究工作得到国家自然科学基金、中科院大连洁净能源研究院合作基金、中科院青年促进会等的支持。

1T-MoS2/d-Ti3C2Tx二维复合纳米材料结构示意图

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