近期，固體所功能材料研究室科研人員成功制備了新型二維V₄C₃T_x 邁科烯(MXene)材料并研究了其在鋰離子電池中的應(yīng)用。相關(guān)研究成果以Synthesis and lithium ion storage performance of two-dimensional V₄C₃ MXene為題發(fā)表在Chemical Engineering Journal雜志上。

　　在電化學儲能技術(shù)中，鋰離子電池因兼具能量密度高、循環(huán)壽命長以及環(huán)保無污染等特點而廣泛應(yīng)用在人們的生活中，如可移動電子設(shè)備、電動汽車、電網(wǎng)儲能等。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，當前以石墨、鈦酸鋰等為負極材料的商用鋰離子電池越來越難以滿足人們對電池容量的需求，開發(fā)新型電極材料顯得尤為重要。目前，新型二維MXene材料因具有比表面積大、導電性好、離子擴散速率高等特點在作為鋰離子電池負極材料時顯示出巨大的應(yīng)用潛力，引起了相關(guān)科研人員的廣泛關(guān)注。

　　MXene是通過選擇性地刻蝕其前驅(qū)體MAX相化合物(化學通式為M_n+1AX_n，其中M為前過渡金屬元素，如Ti、V、Nb、Mo等；A為主族元素；X是C或N元素；n = 1, 2, 3)中的“A”元素而制得的一類二維材料，常見的MXene材料有Ti₃C₂T_x、Ti₂CT_x、V₂CT_x、Nb₂CT_x、Nb₄C₃T_x等，T_x代表材料表面的官能團，如-OH、-O、-F等。在研究較為廣泛的MXene材料中，具有大的層間距和比表面積是獲得較好鋰電性能的關(guān)鍵因素。通常，人們采用插層劑將多層MXene剝離為少層甚至單層來獲得大的層間距和比表面積，然而上述方法得到的這種少層甚至單層MXene的穩(wěn)定性較差，影響著材料的實際應(yīng)用。研究表明，隨著M_n+1X_nT_x中n (n = 1, 2, 3)值的增加，MXene的穩(wěn)定性有明顯的提高，因此探索并研究具有M₄X₃T_x型MXene材料具有重要的實際意義。

　　為獲得大比表面積、大層間距、高穩(wěn)定性的MXene材料，固體所研究人員選擇MAX相V₄AlC₃為前驅(qū)體，采用球磨和氫氟酸刻蝕相結(jié)合的工藝，獲得了尺寸大小（400nm-50μm）和層間距（0.434-0.9nm）可控的新型二維V₄C₃T_x MXene材料，并對該類材料的結(jié)構(gòu)、形貌、穩(wěn)定性以及鋰電性能進行了較為系統(tǒng)的研究。研究結(jié)果表明，通過氫氟酸選擇性刻蝕獲得了具有高穩(wěn)定性的多層V₄C₃T_x  MXene材料，而且球磨工藝的加入使得上述多層V₄C₃T_x 得到充分碎化，從而顯著增大了其比表面積和層間距，為鋰離子存儲和輸運提供了更多活性位點和更快的傳輸通道，最終使得該類二維材料表現(xiàn)出較好的鋰電性能。在電流密度為100 mA g^-1下經(jīng)過300次充放電后，V₄C₃T_x  MXene材料的比容量為225 mAh g^-1，同時表現(xiàn)出較好的倍率性能。該工作為后續(xù)V基MXene材料在鋰/鈉離子電池領(lǐng)域的應(yīng)用提供了重要的參考價值。

　　本項研究工作得到了國家自然科學基金和國家重點研發(fā)計劃的支持。

　　文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894719310514

　　V₄C₃T_x  MXene 材料制備示意圖及相關(guān)鋰電性能