浙大韩伟强团队: MXene/碳管复合新材料实现实现无枝晶钠金属负极

文摘   2024-09-26 10:58   北京  

研究背景

锂基电池目前在电化学储能系统市场上占据着主导地位,但有限的锂资源使得研究人员一直致力于探索新的储能技术。
钠基电池的工作原理与锂基电池相似,并且具有资源丰富、成本低、安全性好、低温性能好等特点。因此,钠基电池在过去几年中得到了广泛的研究。
金属钠作为一种很有前途的钠基电池负极材料,具有理论容量大、资源丰富、工作电位低等优点。然而,钠枝晶的生长以及循环过程中剧烈的体积变化极大地阻碍了钠金属负极的发展。

文章简介

近日,浙江大学韩伟强团队周伊静等通过 Lewis 酸熔融盐刻蚀和退火处理,制备了氮掺杂 Ti3C2Tx/Co/氮掺杂碳纳米管 (TCC) 复合材料。该方法充分利用了 Lewis 酸性蚀刻过程中获得的金属,避免了引入额外的金属源来生长碳纳米管,大大简化了制备工艺。并且 TCC 还具有优异的亲钠性和丰富的氮物种,具有优异的 Na+ 扩散动力学、电子导电性和大的比表面积。当被用作 Na 金属负极的三维框架时,可以诱导 Na 均匀成核和沉积,减缓体积膨胀,加速镀钠/剥离动力学,从而实现无枝晶生长,大大提高了电化学性能。
  • Figure 1. TCC 复合材料的制备示意图。
TEM、高分辨率透射电镜 (HRTEM) 和高角环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)图像表征了 TCC 的形貌特征。可以清晰地看到,零维 Co 纳米颗粒被封装在一维 N-CNTs 内部,一维 N-CNTs 负载在二维 N-Ti3C2Tx MXenes 表面,形成独特的三维框架。元素映射图像也证实了 TCC 复合材料中 C、O、N、Ti、Cl 和 Co 元素的均匀分布。

  • Figure 2. (a)、(b) TEM 图像,(c) HRTEM 图像,(d) - (i) HAADF-STEM 图像及相应的 TCC 元素映射图像。

研究团队组装了全电池以评估 TCC 的电化学性能,并分别以磷酸钒钠 (NVP) 和预沉积钠的 TCC (TCC-Na) 作为正极和负极。TCC-Na // NVP 的过电位明显低于 Cu-Na // NVP 的过电位。在 5C 下的全电池充放电曲线中可以看出,Cu-Na // NVP 全电池由于钠枝晶的生成造成了较差的循环稳定性。相反,TCC-Na // NVP 电池的充放电曲线高度重叠,表明了循环稳定性的提升。TCC-Na // NVP 全电池可以在 4C 电流密度下稳定循环 1200 次,容量保持率为 85.5%。当电流密度增加到 5C 时,TCC-Na // NVP 全电池仍然表现出良好的循环稳定性,在 900 圈时仍有 82.5 mAh g-1 的放电容量。

  • Figure 3. (a) TCC-Na // NVP 和 Cu-Na // NVP 全电池在 2C 条件下的第三次充放电曲线,(b) 和 (c) 5C 下 TCC-Na // NVP 和 Cu-Na // NVP 全电池的充放电曲线,TCC-Na // NVP 和 Cu-Na // NVP 全电池在 (d) 4C 和 (e) 5C 电流密度下的循环性能。
该工作实现了 Lewis 酸蚀刻产物的有效利用,具有通用性好、安全性高、操作简单等特点。为 MXene/CNTs 复合材料的制备开辟了一条新途径,可能会激发更多的研究。该成果以“3D N-Ti3C2Tx/Co/N-CNT composites as a sodiophilic framework for dendrite-free sodium metal anodes”(《三维 N-Ti3C2Tx/Co/N-CNT 复合材料构筑亲钠性框架以实现无枝晶钠金属负极》)为题,发表在英国皇家化学会期刊 Journal of Materials Chemistry C 上,并入选为 hot article

论文信息

  • 3D N-Ti3C2Tx/Co/N-CNT composites as a sodiophilic framework for dendrite-free sodium metal anodes

    Yijing Zhou, Pengfei Huang, Hangjun Ying, Lucheng Cai, Chaowei He, Zuojie Xu and Wei-Qiang Han*韩伟强,浙江大学)

    J. Mater. Chem. C, 2024
    https://doi.org/10.1039/D4TC02740J

作者简介

周伊静 硕士研究生
浙江大学

本文第一作者,浙江大学材料科学与工程学院 2023 级硕士研究生,导师韩伟强教授。研究方向为 MXene 基材料在钠电池中的应用。






韩伟强 教授
浙江大学
本文通讯作者,浙江大学材料科学与工程学院教授,博士生导师,国家引进高技术人才,浙江大学求是讲席教授。2012 年 9 月前任美国布鲁克海文国家实验室纳米中心研究员。随后任中国科学院宁波工程技术研究院新能源所所长。2015 年 10 月到浙大材料学院工作。主要从事微纳低维材料、锂离子电池、钠离子电池和电催化等领域的研究。在 NatureScience 等期刊发表论文 225 篇。入选 2014-2023 年爱思唯尔中国高被引学者。

期刊介绍

Materials with applications in optical, magnetic & electronic devices

rsc.li/materials-c

J. Mater. Chem. C

2-年影响因子*5.7
5-年影响因子*6.0
JCR 分区*Q1 物理-应用
Q2 材料科学-跨学科
CiteScore 分10.8
中位一审周期29 


Journal of Materials Chemistry ABC 报道材料化学各领域的高质量理论或实验研究工作。这三本期刊发表的论文侧重于报道对材料及其性质的新理解、材料的新应用以及材料合成的新方法。Journal of Materials Chemistry ABC 的区别在于所报道材料的不同预期用途。粗略的划分是,Journal of Materials Chemistry A 报道材料在能源和可持续性方面的应用,Journal of Materials Chemistry B 报道材料在生物学和医学方面的应用,Journal of Materials Chemistry C 报道材料在光学、磁学和电子设备方面的应用。

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    🇩🇪 马普固体物理化学研究所

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    🇨🇳 兰州大学

  • Ni Zhao (赵铌)
    🇨🇳🇭🇰 香港中文大学

* 2023 Journal Citation Reports (Clarivate, 2024)

 CiteScore 2023 by Elsevier
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