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解決方案 | XH-8000Plus 高性能對稱鋰離子電池用MXeneNa0.55Mn1.4Ti0.6O4雜化物的自還原合成方法

發布時間：

2020/06/08 11:31

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第一作者：Guodong Zou
通訊作者：Bingcheng Ge, Hao Zhang, Qingrui Zhang, Carlos Fernandez, Wen Li, Jianyu Huang and Qiuming Peng
DOI:10.1039/C9TA00744J
IF：9.531 一區

本文亮點

物理化學、能源與燃料、微波合成、微波高壓、微波水熱

前言

2019年，Journal of Materials Chemistry A 雜志發表了燕山大學科研團隊在高性能對稱鋰離子電池。該工作報道了具有高性能對稱鋰離子電池用MXeneNa0.55Mn1.4Ti0.6O4雜化物的自還原合成方法的研究。

研發背景

日益嚴重的環境問題和能源挑戰吸引了人們對開發綠色高效儲能系統的迫切需求。尋找能夠提高鋰離子電池(LIBs)性能的新材料是當今最具挑戰性的問題之一。在此，開發了一種基于雙極材料-MXene/Na0.55Mn1.4Ti0.6O4的穩定的對稱性LIB。這種雙極性混合材料呈現出典型的MXene型層狀結構，具有較高的導電性，分別含有Mn4+/Mn3+(3.06 V)和Mn2+/Mn(0.25 V)兩個電化學活性氧化還原偶。

這種基于Xene/Na0.55Mn2O4的對稱全電池在迄今為止報道的所有對稱全電池中表現出最高的能量密度393.4 Wh kg-1，其中它賦予了2.81 V的高平均電壓和140mAh g-1的可逆容量，電流密度為100 mA g-1。此外，在500 mA g-1的電流密度下，它在200次循環后提供了79.4%的容量保持率。這款全對稱鋰離子電池將激勵人們進一步研究使用相同活性材料、安全性更高、成本更低、壽命更長的新型鋰離子電池。

圖表解析

Figure 1 (a) 不同樣品的XRD圖案。(b) MXene/NMTO樣品的SEM圖像。(c)(b)的局部高倍圖像。(d) MX烯/NMTO樣品的TEM圖像，插圖對應其SAED圖案。(e)(d)中側面區域的局部高倍TEM圖像。(f，g)分別為MX烯和MX烯/NMTO樣品的低損耗和核心損耗EELS圖譜。(h)MX烯/NMTO樣品中表面NMTO的HRTEM圖像。(i) 反應時間對MX烯/NMTO樣品中NMTO濃度和電導率的影響。

Figure 2 (a)在0.01-3.0 V電壓范圍內，以0.2 mV s-1的掃描速率，MXene/NMTO電極的CV曲線與Li/Li+。(b) MXene/NMTO樣品的放電-充電曲線。(c) 三種樣品在電流密度為100 mA g-1時的循環性能。庫侖效率只涉及MX烯/NMTO樣品。(d) 三個樣品在電流范圍為100-5000 mA g-1時的速率特性。(e) MX烯/NMTO樣品在100-5000 mA g-1電流密度范圍內的二次放電/充電曲線。(f) MX烯/NMTO電極在電流密度為5000 mA g-1時的長期循環性能。MX烯/NMTO電極的庫侖效率僅有斑點。(g) MXene/NMTO復合材料與MXene基和氧化錳基陽極材料(MXene/Ag,23 Ti3C2/CNTs,30 Ti3C2Tx/NiCo2O4,31 TiO2/MXene,32 SnO2/MXene,32 MoS2/Mo2TiC2Tx,33 V2C-Co,34 Mn3O4/RGO,35 MnO2/C,36 SMOH/C,37 H-Mn3O438)的速率容量比較。

Figure 3 (a) MXene/NMTO電極在0.2 mV s-1的掃描速率下，在1.5-4.8 V與Li/Li+的電壓范圍內的CV曲線。(b) MXene/NMTO樣品的放電/充電曲線。(c) 三個樣品在100-1000 mA g-1電流范圍內的速率特性。(d) 兩個樣品在電流密度為100 mA g-1時的循環特性。庫侖效率只涉及MXene/NMTO樣品。(e) 兩個樣品在1000 mA g-1的電流密度下的長期循環性能。僅顯示了MX烯/NMTO電極的庫侖效率。

Figure 4 (a)MXene/NMO||MXene/NMTO對稱LIBs的示意圖。(b)在0.6-3.7 V電壓范圍內，掃描速率為0.2 mV s-1的電極與Li/Li+的CV曲線。(c)全電池的放電/充電曲線。(d) 全電池在100-1000 mA g-1電流密度范圍內的速率特性和庫侖效率。(e) 全電池在電流密度為500 mA g-1時的循環特性。200次循環后容量保持率仍為79.4%。插圖顯示了由MXene/NMTO對稱電池驅動的發光LED燈泡。(e)最近報道的對稱LIBs(淡紫色陰影)和SIBs(LiVPO4F,6 Li3V2(PO4)3,7 LiNi1/Co1/3Mn1/3O2,42 Li3V1. 9Fe0.1(PO4)3,43 Na2.55V6O16,44 Na0.66Ni0.17Co0.17Ti0.66O2,45 Na0.8Ni0.4Ti0.6O2,3 Na0.6Cr0.6Ti0.4O2,46 Na2V6O16,47 NiFe2O4,48 Na3MnTi(PO4)3,49 Na3V2(PO4)3/C-BN,50 Na3V2(PO4)3/AC51)。

Figure 5 (a-d)放電過程中NMTO電極的典型形態變化。(e-h)充電過程中NMTO電極的典型形態變化。原始(i)、放電(j)和充電(k)NMTO電極的原位SAED模式。(l)NMTO的EELS光譜。

Figure 6 (a-d)放電過程中NMTO電極的典型形態變化。(e-h)充電過程中NMTO電極的典型形態變化。原始(i)、放電(j)和充電(k)NMTO電極的原位SAED模式。(l)NMTO的EELS光譜。

全文小結

綜上所述，基于MXene的自還原作用，通過簡單的微波輔助反應合成了一種新的MXene/NMTO雜化體。通過環境球差校正電子顯微鏡，明確了晶體結構和反應過程。Mn2+/Mn和Mn4+/Mn3+的氧化還原偶分別占陽極和陰極反應。利用這種低成本的雙極性電極，量身定做了一種鋰離子全電池，以滿足儲能的需求。

該全電池在所有對稱LIBs和NIBs中顯示出最高的能量密度393.4 Wh kg-1，在所有關于對稱LIBs全電池的研究中，平均電壓最高為2.81 V。這些關于低成本、高效率、高能量密度和高電壓鋰離子全電池的研究結果將極大地促進儲能技術的發展，也將為設計先進的鋰離子全電池提供新的途徑。

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本文所使用產品

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