大连化学物理所ACS Nano：合成钠/钾钛酸盐衍生物和Ti3C2 MXene 纳米带结构提高钠/钾离子电池性能

【引言】

锂离子电池在便携电子设备和大范围网格储存应用的广泛使用，但是因其人们对有限的锂资源，高昂的价格和安全问题的关注，使得锂离子的应用受到很大的阻碍。钠离子电池（SIBs）和钾离子电池（PIBs）因为含量丰富，成本低廉，高理论电容，和相似的氧化还原电位，使得它们成为替代替代锂离子电池的理想器件。因此，本文通过同步氧化法和碱化Ti2C3 MXene的过程，成功合成了超薄的钛酸钠纳米带和钛酸钾纳米带，并探究了其电化学性能。

【成果简介】

近日，ACS Nano 刊登了一篇题为“Ti₃C₂ MXene-Derived Sodium/Potassium Titanate Nanoribbons for High-Performance Sodium/Potassium Ion Batteries with Enhanced Capacities”的文章，报道了中科院大连化学物理研究所吴忠帅（通讯作者）等人，采用同步氧化法和碱化Ti₃C₂ MXene的过程成功合成了超薄钛酸钾和钛酸钠纳米带。因为合适的层间距离(M-NTO为0.90 nm, M-KTO为0.93 nm)、超薄的厚度(<11 nm)，窄的纳米带宽度(<60nm)和大孔结构提高了离子嵌入/脱出动力。M-NTO在200 mA g⁻¹电流密度时，呈现出191 mAh g⁻¹的大可逆容量。比之前的Ti₃C₂ (178 mAh g⁻¹)和商业TiC衍生物(86 mAh g⁻¹)都要高。引人注目的是， M-KTO在50 mA g⁻¹电流密度时，呈现出151 mAh g⁻¹可逆容量，在300 mA g⁻¹电流密度时，呈现出88 mAh g⁻¹可逆容量，持续超过900次长期可逆稳定循环。

【图文导读】

图一：SEM分析及能谱元素分析

(a-b) Ti₃C₂ MXene SEM图像  (c-d) M-NTO SEM图像  (e-f) M-KTO SEM 图像

(a), (c), (e)中的插图分别为Ti₃C₂ MXene、M-NTO、M-KTO的粉末  

(g), (h)分别为M-NTO、M-KTO的能谱元素分析

图二：物理化学性能表征

(a-b) Ti₃C₂ MXene TEM图像

(c) Ti₃C₂ MXene HRTEM图像

(d-e)M-NTO TEM图像

(f)M-NTO HRTEM图像 (g-h) M-KTO TEM图像

(i) M-KTO HRTEM图像 (c), (f), (i)为对应的SAED图像

图三：XRD、拉曼、XPS分析

a.Ti3C2 MXene, M-NTO, 和M-KTO XRD图像

b.Ti3C2 MXene, M-NTO, 和 M-KTO 拉曼谱图

c.Ti3C2 MXene, M-NTO, 和M-KTO XPS全谱图

d.Ti3C2 MXene和M-NTO C1 XPS谱图以及M-KTO C 1S和K 2P XPS谱图

图四：在1M NaCF₃SO₃电解液中M-NTO用作SIBs的电性能表征

a.M-NTO在1 mV s⁻¹时的循环伏安曲线

b.M-NTO, Ti3C2 MXene, 和商业 TiC衍生物在电流密度为200 mA g⁻¹时的循环稳定性和库伦效率

c.M-NTO在50至2000 mA g⁻¹不同的电流密度下充放电测试曲线

d.M-NTO在不同的电流密度下的倍率性能

e.M-NTO用作SIBs在200 mA g⁻¹电流密度时的长期循环性能

图四：在1M KPF6电解液中M-KTO用作PIBs的电性能表征

a.M-KTO在1 mV s⁻¹时的循环伏安曲线

b.M-KTO在50 mA g⁻¹时的循环稳定性

c.M-KTO在20至300mA g⁻¹不同的电流密度下充放电测试曲线

d.M-KTO在不同的电流密度下的倍率性能

e.M-KTO用作PIBs在200 mA g⁻¹电流密度时的长期循环性能

【小结】

超薄的钛酸钠纳米带和钛酸钾纳米带通过同步氧化法和碱化Ti₃C₂ MXene的过程成功合成。因为合适的层间距离，超薄的厚度，窄的纳米带宽度和大孔结构提高了离子嵌入/脱出动力。这种转化方法对多样的MXene衍生物纳米材料在超级电容器，电池，电催化和感应器领域应用是一种理想的方法。

文献链接：Ti3C2 MXene-Derived Sodium/Potassium Titanate Nanoribbons for High-Performance Sodium/Potassium Ion Batteries with Enhanced Capacities（ACS NANO 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b01165）

本文由材料人新能源组 穆以温 供稿，材料牛编辑整理。

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