Ti3C2Tx MXene阳极由于其离子传输动力学缓慢，经常面临低容量的巨大挑战。本文报道了Ti3C2Tx MXene中碘-氧化还原-化学调制的智能离子传输通道，使其锂离子存储能力超出理论容量。在Ti3C2Tx表面修饰的−I末端(I−Ti3C2Tx)在充电后期被氧化成线性的−I3，极大地扩大了Ti3C2Tx的层间距，加速了锂离子的提取。同时，这种自扩展的离子输运通道更有利于锂离子在随后的放电过程中插入，在此过程中−I末端被再生。在Ti3C2Tx MXene中，−I和−I3端之间的电压响应和可逆转换实现了离子传输通道的智能双向调节。因此，I - Ti3C2Tx提供高容量(在0.1 a g−1时容量是原始Ti3C2Tx的1.8倍)，出色的速率能力(在2.0 a g−1时容量是原始Ti3C2Tx的4.5倍)，以及长期循环稳定性(在1.0 a g−1时超过800次循环)，即使在一个完整的电池(300.7 mAh g−1在0.1 a g−1)和宽温度环境中。为实现Ti3C2Tx MXene的实际容量最大化提供了一种有效的方法。
 
图1. 智能离子通道的理论计算及原理图。(a)−I3终端存在时层间距离的优化。(b) Ti3C2−I和(c) Ti3C2−I3模型上Li原子通过不同途径的相应扩散势垒分布图。(d) Li原子在Ti3C2−O、Ti3C2−I和Ti3C2−I3模型上的扩散势垒比较。(e)表面吸附Li原子的Ti3C2−O、Ti3C2−I和Ti3C2−I3模型的电荷密度差图。蓝色和黄色的云分别代表缺电子和富电子的区域。(f) I−Ti3C2Tx中智能离子传输通道示意图。
 
图2. I−Ti3C2Tx的结构和组成表征(a) TEM， (b,c) HRTEM， (d) HAADF图像以及I−Ti3C2Tx的元素映射。(e) I−Ti3C2Tx和Ti3C2Tx的XRD谱图。(f) I−Ti3C2Tx的高分辨率i3d XPS光谱。(g) I - Ti3C2Tx和Ti3C2Tx的高分辨率ti2p XPS光谱。(h) I−Ti3C2Tx和Ti3C2Tx的k3加权EXAFS谱的傅里叶变换。(i) Ti3C2Tx和i−Ti3C2Tx的小波变换等值线图。(j) I−Ti3C2Tx、Ti3C2Tx和Ti3C2Tx−350°C的Zeta电位。(k) I−Ti3C2Tx和(l)原始Ti3C2Tx的KPFM图像。(m) I−Ti3C2Tx和原始Ti3C2Tx测得的CPD。
 
图3. 深入分析了I−Ti3C2Tx在放电和充电过程中碘末端的可逆转化。(a) I−Ti3C2Tx的CV曲线。(b)不同电压下I - Ti3C2Tx的高分辨率i3d和(c) ti2p XPS光谱。(d) I−Ti3C2Tx在第五周期的电压依赖拉曼光谱。
 
图4. I−Ti3C2Tx第10次旋回的结构演化。(a) Ti3C2Tx (b)和I - Ti3C2Tx (c)的充放电曲线和随电压变化的XRD谱图。(d) I - Ti3C2Tx对应的映射图。Ti3C2Tx (e,f)和I - Ti3C2Tx (g,h)完全放电(0.01 V)和完全充电(3.0 V)的HRTEM图像。
 
图5. I−Ti3C2Tx和Ti3C2Tx用于锂离子电池的电化学性能(a) I−Ti3C2Tx的恒流放电/充电电压曲线。(b) 0.1 A g−1时I−Ti3C2Tx和Ti3C2Tx的循环性能。(c) I−Ti3C2Tx与Ti3C2Tx在0.1 ~ 2.0 A g−1电流密度范围内的速率性能比较。(d)速率测试后I−Ti3C2Tx在1.0 A g−1下的循环性能(插入:前10次和后10次循环的时间-电压曲线)。(e)在0.05 A g−1温度下，I−Ti3C2Tx在40 ~ 0℃不同温度下的比容量和相关容量保持率。(f)电荷转移能垒，(g)锂离子扩散系数，(h) Tafel图，(i)虚阻抗随对数的代表性图(f) (Debye图)，(j) i−Ti3C2Tx和Ti3C2Tx的赝电容贡献。
 
图6. LiFePO4//I−Ti3C2Tx的全电池性能。(a) LiFePO4//I−Ti3C2Tx中智能锂离子传输通道示意图。(b) LiFePO4//I−Ti3C2Tx和LiFePO4//Ti3C2Tx全电池的循环性能和(c)倍率性能。(d)基于Ti3C2Tx电极的LiFePO4//I−Ti3C2Tx、LiFePO4//Ti3C2Tx和已报道的基于Ti3C2Tx电极的全电池的重量能量密度与功率密度的Ragone图。(e)光学图像显示了由组装的LiFePO4//I−Ti3C2Tx全电池驱动的发光LED屏幕。(f)活化后LiFePO4//I−Ti3C2Tx在0 ~ 40℃范围内电流密度为0.1 A g−1时的循环性能。
 
       相关科研成果由北京理工大学, Minhua Cao，Jinwen Qin，Zhenhua Wang等人于2024年发表在Energy Storage Materials（https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103209）上。原文：Iodine-Redox-Chemistry-Modulated Intelligent Ion Transport Channels in MXene Enables Energy Storage Beyond Theoretical Capacity
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103209

转自《石墨烯研究》公众号