柔性3D多孔MXene泡沫作为高性能锂离子电池的电极

【背景介绍】

MXene是一种新型二维层状过渡金属碳化物/氮化物材料，分子式为Mn+1XnTx，其中M表示过渡金属（Ti、V、Mo等），X是碳和/或氮（n=1、2或3），T表示氧、羟基、氟等官能团。由于其独特的结构和表面化学性质，MXene具有类金属的导电性、良好的亲水性和机械稳定性，因而在电化学储能、电磁屏蔽、电催化、压力传感器等领域都有良好的应用前景。将MXene用作锂/钠离子电池、锂-硫电池和超级电容器等储能器件的电极材料，是当前研究的热点。但是，与其他二维材料一样，MXene纳米片易于聚集或重新堆叠，形成的致密结构会影响电解液的渗透和离子的传输，限制了其电化学性能。常用的改善策略有两种：一是通过引入层间间隔物（表面活性剂、碳纳米管、聚合物等）防止MXene纳米片的重新堆叠而提高其电化学性能；二是采用模板法将2D纳米片构筑成3D多孔结构，可防止纳米片层的堆叠并改善离子传输，从而获得高性能的电极材料。然而，目前常用的模板法制备过程通常较为复杂，因此需要寻找一种可简单移除模板的方法来构建柔性3D多孔MXene电极。

【成果简介】

近日，北京化工大学的徐斌教授（通讯作者）团队报道了一种简单的制备三维多孔MXene泡沫的方法，以价格低廉、结构可控的硫颗粒作为模板，与MXene进行简单的液相混合-减压抽滤-模板去除的过程，即可得到柔性自支撑的三维多孔MXene泡沫。该三维多孔MXene泡沫可以直接用作锂离子电池电极，其三维多孔结构极大地增加了MXene纳米片的储锂活性位点，促进了电解液的渗透，构筑了良好的离子/电子传输通道，因此表现出高比容量（在50 mA g-1时为455.5 mAh g-1）、稳定的循环性能（在1 A g-1时循环3500次仍保持在220 mAh g-1）和优异的倍率性能（在18 A g-1时为101 mAh g-1）。该工作不仅获得了性能优异的三维多孔MXene泡沫材料，同时提供了一种将二维纳米片构筑成三维泡沫的新方法——硫模板法。该研究成果以题为“Flexible 3D Porous MXene Foam for High-Performance Lithium-Ion Batteries”发布在国际著名期刊Small上。

【图文解读】

图一、柔性自支撑3D多孔MXene泡沫的制备过程示意图

图二、以硫为模板制备的3D多孔MXene泡沫的形貌结构表征

（a-c）3D多孔MXene泡沫（p-MXene-71）的SEM图像和数码照片；

（d）3D多孔MXene泡沫的氮吸附和MIP孔径分布；

（e-f）致密MXene和3D多孔MXene泡沫的XRD图谱和XPS光谱；

（g-h）致密MXene和p-MXene-71的Ti 2p光谱；

（i）致密MXene和3D多孔MXene泡沫在电解液中的接触角。

图三、致密MXene电极和3D多孔MXene泡沫电极作为锂离子电池负极的电化学行为

（a-d）致密MXene电极和3D多孔MXene泡沫电极在0.1 mV s-1的CV曲线；

（e-h）致密MXene电极和3D多孔MXene泡沫电极在50 mA g-1的充放电曲线；
其中，（a，e）致密MXene电极、（b，f）p-MXene-35、（c，g）p-MXene-48、（d，h）p-MXene-71。

图四、致密MXene电极和3D多孔MXene泡沫电极的电化学性能

（a-b）致密MXene电极和3D多孔MXene泡沫在50 mA g-1下的循环性能和倍率性能；

（c）3D多孔MXene泡沫p-MXene-71电极的长循环性能；

（d-e）3D多孔MXene泡沫电极在循环前和循环300次后的交流阻抗图谱（内图为等效电路）。

图五、3D多孔MXene泡沫p-MXene-71电极的电容行为贡献

（a）3D多孔MXene泡沫p-MXene-71电极在不同扫描速率下的CV曲线；

（b）不同扫速的CV在2.0 V时的峰值电流与扫描速率之间的关系；

（c）2 mV s-1扫速下的CV曲线（阴影部分表示电容贡献）；

（d）3D多孔MXene泡沫p-MXene-71电极不同扫描速率下的电容行为贡献比例。

【小结】

综上所述，作者以价格低廉的硫颗粒作为模板，制备了柔性一体化、结构可控的三维多孔MXene泡沫，该制备方法简单高效，硫模板在相对较低的温度下（300℃）即可除去。制备的三维多孔MXene泡沫保持了MXene材料优异的导电性和较好的电解液浸润性，保证了离子/电子的快速传输；3D多孔泡沫结构充分暴露了MXene的表面，极大地增加了储锂活性位点；三维多孔MXene泡沫具有良好的柔性，可以直接用作锂离子电池负极，表现出优异的电化学性能。这种独特的3D多孔MXene泡沫也可用作压力传感器材料，展现出广泛的应用前景。此外，硫模板法提供了一种将2D纳米片层构建为3D多孔泡沫的新思路，这种方法也可以扩展到其他2D材料。

文献链接：Flexible 3D Porous MXene Foam for High-Performance Lithium-Ion Batteries（Small, 2019

, DOI:10.1002/smll.201904293）