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電工研究所在高性能MXene基鋰離子電容器研究中取得新進展

  近日,電工研究所馬衍偉團隊在高性能MXene復合材料制備、MXene基鋰離子電容器研制方面取得新進展,相關研究成果發表于國際著名期刊《先進功能材料》(Adv. Funct. Mater, 2021, 2104286)。 

  MXene作為一種新型二維過渡金屬碳化物,具有與石墨烯類似的結構特點,在儲能領域得到廣泛研究。但MXene本身比容量低,因此構建合理的納米結構、保留二維材料特征、引入高儲鋰容量成為了MXene在高性能電極材料應用方面的挑戰。 

  前期,研究團隊利用剝離Ti3C2Tx MXene時使用的四丁基銨離子(TBA+)作為陽離子中間體,有效削減Ti3C2Tx和氧化石墨烯(GO)之間的靜電斥力,使兩種二維材料形成面對面排列結構,制備出具有優異比容量和倍率性能的Ti3C2Tx/rGO復合負極材料(Sci. Bull. 2021, 66, 914-924)。在此基礎上,研究團隊利用水熱法制備熱力學穩定的1TMoS2,并在二維Ti3C2Tx上原位生長,制備出1T-MoS2/d-Ti3C2Tx二維復合納米材料。在水熱過程中TBA+嵌入MoS2層間,擴大層間距離的同時為MoS2注入額外電荷誘導其從2H1T相轉變。擴展的層間空間及1TMoS2的金屬導電性為鋰離子在1T-MoS2/d-Ti3C2Tx的擴散降低了能量勢壘,有效彌補了正負極之間的動力學差異。此后,采用1T-MoS2/d-Ti3C2Tx作為負極,多孔石墨烯作為正極,組裝成的高性能鋰離子電容器能量密度最高可達188 Wh/kg,功率密度最高可達13 kW/kg(以上數據基于電極材料質量),5000次充放電循環后容量保持率為83%。該研究表明1T-MoS2/d-Ti3C2Tx作為高性能鋰離子電容器的負極材料具有較好的應用前景,為高性能鋰離子電容器的開發提供了新思路。 

  上述研究工作得到國家自然科學基金、中科院大連潔凈能源研究院合作基金、中科院青年促進會等的支持。 

  論文鏈接:https://doi.org/10.1002/adfm.202104286
1T-MoS2/d-Ti3C2Tx二維復合納米材料結構示意圖
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