香港城大《AEM》超过2800小时，寿命最高的MXene基水系电极！

导读：本文作者合成了一种Sn4+预插层的Ti2CTX MXene纳米球材料，有效地扩大了层间间距。预插层的Ti2CTX排列在碳球上，通过缩短离子扩散路径，增强反应动力学，进一步增强离子输运。将此材料用作锌离子电容器后，经过12500次循环（相当于2800小时的循环）依然稳定，超过了所有报道的MXene基的水系电极。

近年来，以金属锌为阳极的低氧化还原电位、生态友好性和高理论容量的锌离子电容器越来越受到人们的关注。但其循环寿命和稳定性明显低于有机电解质体系；这主要由于阴极的限制，锌离子的重复嵌入脱出可能会破坏其微观结构，进而降低其性能。因此，急需开发新型、高性能且高稳定的ZIC阴极。

2D Ti₂CT_X MXene （T_X表示OH、O和F）在MXenes家族中原子结构最简单，在有机电解质电池中得到了深入研究，其在循环过程中表现出了优异的结构稳定性。独特的手风琴微观结构、亲水性、高导电性和陶瓷性质使其在水体系中具有巨大的潜力，但迄今为止，尽管人们对钛基、V基MXenes电极进行了一些研究，但进展仍然有限。

此外，虽然MXene的2D结构可能有利于其容量，但纳米片结构也可能导致两个缺陷：1）由于MXene在电极中的非优先分布和自堆叠，离子不能绕过表面的屏障而直接插入到横截面上的层间间距；2）层间间距决定了离子的穿梭动力学，较大的层间间距可以显著提高穿梭深度。离子预插层可以增大层间间距，促进离子的扩散，但不能缩短离子的输运路径。另一方面，构建多孔结构，特别是定向垂直层状分布设计，可以直接适应离子穿梭，缩短离子传输路径。通过微观结构设计使阴极具有上述两种策略的优点，可能将极大地提高MXene的电化学活性，有望在水电解质体系中获得稳定的阴极。

基于上述情况，香港城市大学支春义教授团队联合中科院宁波材料所黄庆研究员团队首次合成了在碳球表面垂直排列Ti₂CT_X的核-壳型Ti₂CT_X/C球，并将Sn4+预插到Ti2CTX MXene (Sn4+- Ti2CTX/C)上，此材料在锌离子电容器中展现出优异的性能及稳定性。近日，该工作以“Vertically Aligned Sn4+ Preintercalated Ti2CTX MXene Sphere with Enhanced Zn Ion Transportation and Superior Cycle Lifespan”为题，发表在国际知名期刊《Advanced Energy Materials》上。

 

论文链接：

https://doi.org/10.1002/aenm.202001394

作者选用M2X1型Ti2CTX MXenes是因为其晶体结构最简单，层间空间更大，相对原子质量在各种候选（如V、Nb、Zr）中最低，有利于其质量比容量。在原位生长和蚀刻过程的作用下，得到的Ti2CTX/C球呈现出均匀稳定的微观结构。柔性MXene薄片以高度有序的方式垂直分布在碳球的外表面，有效地清除了表面屏障。Sn4+的插入进一步增大了层间间距，从而优化了离子扩散动力学。因此，用Sn-Ti2CTX/C球形阴极制备的ZIC具有极长的循环寿命(在0.5 A·g-1时可循环12500次;>2800小时)和可忽略的容量波动(<5%)，超过所有目前报告的基于MXene的电极在有机和水电解质系统下的性能。此外，作者采用准固态水凝胶组装了柔性锌/MXene电容器，在低温（<-22℃）下仍可稳定运行。

综上所述，作者所开发的策略可广泛应用于其他MXenes和其他基于二维材料的储能系统，以增强离子穿梭动力学和电化学性能。（文：天航）

图1. 电极材料的合成工艺及形貌分析。

图2. 电极材料的相组成与表征。

图3. 所得ZICs在LiTFSI +Zn(CF₃SO₃)₂电解液中的电化学性能图。

图4. 获得的ZICs放电性能。

图5. 所得ZICs异的电化学活性机理研究。

图6. 准固态ZICs的演示。