小行星|在用于无粘合剂锂离子电池负极的导电 N 掺杂 MXene 纳米片上原位连续水热合成 TiO2 纳米颗粒航天器|dart|太空

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强调
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一步合成氮掺杂的 MXene-TiO2-碳纳米复合材料。
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与未经处理的 MXenes 相比，电化学性能有所提高。
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MXene电极的无粘合剂加工。
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MXenes的水处理可以消除永远的化学物质。
负极材料是决定锂离子储能系统能量密度、循环性和生命可循环性的关键。 MXenes 等高表面积材料可以通过改进的电化学性能制造，从而消除对聚合物粘合剂或危险化学品的需求，这些化学品对锂离子电池的回收利用构成挑战。然而，生产不含粘合剂并具有与当前碳基电极相匹配的储能特性的锂离子负极材料仍然存在挑战。在这里，我们展示了使用水性路线合成 N 掺杂的 MXene-TiO2 混合负极材料。使用单步连续水热工艺对 N 掺杂的 TiO2-MXene 进行改性。容量测试表明，在 0.1 C 的充电率和 99.7% 的库仑效率下，经过 100 次循环后，初始比能量容量从 305 mAhg-1 提高到 369 mAhg-1 。相比之下，未改性 MXene 的容量为 252 mAhg-1 ，其容量显着衰减至 140 mAhg-1 。制造不需要有毒化学品来加工成电极并在无粘合剂系统中表现出良好储能特性的锂离子负极的能力是储能应用向前迈出的重要一步。
【小行星|在用于无粘合剂锂离子电池负极的导电 N 掺杂 MXene 纳米片上原位连续水热合成 TiO2 纳米颗粒】
利默里克大学? 伦敦南岸大学工程学院
关键词
MXene
掺氮
连续水热流合成
无粘合剂电极加工
一、简介
锂离子电池 (LIB) 是一种能量存储设备，由于其高能量密度和出色的循环性能，已成为当前的主要电池技术。锂具有低分子量和密度，非常适合嵌入层状材料，从而表现出高体积能量密度。尽管 LIB 表现出这些令人兴奋的特性，但它们受到功率性能、成本、安全和环境问题的限制，这些问题来自其组件的毒性和锂开采。
图 1 锂离子电池储能过程示意图。
LIBs通过在充电过程中将锂离子从正极传输到负极来存储能量，反之亦然。一个典型的 LIB 由三个组件组成；负极（通常是石墨）、正极（通常是锂金属氧化物，例如 LiCoO2）和电解质（非水），可以在很宽的电位范围内实现可逆的锂化和脱锂。作为正极材料的锂金属氧化物 (LMO) 具有高化学势（相对于 L/Li+），而作为负极材料的石墨自然丰富、成本低，并且具有适合嵌入的层状结构。尽管 LIB 显示出长循环寿命，但一个主要缺点是在电极制造中使用标准聚合物粘合剂。一个例子是聚偏二氟乙烯 (PVDF) ，这是一种多氟烷基 (PFA) 化合物，因其在环境中的使用寿命而被归类为“永久化学品” 。根除永久化学品使用的潜在解决方案是将 MXenes 水处理成稳定的胶体悬浮液，因为其带负电荷的纳米片。先前关于使用 MXenes 作为锂离子负极的报告显示了一种从 LIB 电极中消除对环境不友好的聚合物粘合剂的潜在方法。
此外， LIB 中的电极制造需要使用 N-甲基-2-吡咯烷酮 (NMP) ，这是一种在电极浆料加工中的有毒溶剂。这些对当前电池制造的环境友好性和成本都产生了负面影响。为了克服这个问题，解决方案是 MXene ，由于其优异的亲水表面，它能够进行水处理。这消除了有毒电极处理溶剂的使用。此外， MXenes 具有高电子电导率（6500 S cm-1），使其能够用作活性材料和集电器。
MXenes是过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物，具有超高的电子导电性和优异的电荷存储性能。 MXenes 由 Gogotsi 等人于 2011 年首次报道，重点介绍了其通过选择性酸蚀刻工艺从 MAX 相前体合成。在MXene合成过程中，氢氟酸（HF）选择性地蚀刻掉“A”元素，产生通式为Mn+1XnTX的MXenes ，其中n=12或3 ， TX为O、OH等表面末端MXene 的例子包括 Ti3C2TX、Ti2CTX、Ti3CNTX、Nb4C3TX 等。 MXene 中钛表面 (Ti) 发生的可逆氧化还原反应提供了赝电容，从而提高了 MXene 电极的法拉第性能。与二维石墨烯 (0.4gcm-3) 相比， MXenes 显示的 4gcm-3 振实密度降低了电极的质量负载。据报道， MXene 中高达 900F cm-3 的高体积电容引起了人们对储能应用越来越多的兴趣。然而， MXenes 在水溶液中的稳定性、其纳米片的重新堆叠以及对其表面功能的有限控制限制了其特性的充分利用。一个潜在的解决方案是通过 2D MXenes 的表面和化学功能化，使用金属氧化物，如钛 (iv) 氧化物 (TiO2) 或掺杂杂原子，如氮。 MXene 片材之间 TiO2 纳米颗粒的生长可防止重新堆叠，从而使片材保持分离。在掺杂过程中，掺杂剂（氮）的行为类似于电子供体。它通过产生额外的价电子来调节半导体材料的电导率，从而取代半导体材料晶格中的碳。