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河北祥鹄科学仪器有限公司

解决方案 | XH-8000Plus 高性能对称锂离子电池用MXeneNa0.55Mn1.4Ti0.6O4杂化物的自还原合成方法

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【摘要】:
2019年,Journal of Materials Chemistry A 杂志发表了燕山大学科研团队在高性能对称锂离子电池。该工作报道了具有高性能对称锂离子电池用MXeneNa0.55Mn1.4Ti0.6O4杂化物的自还原微波水热合成方法的研究。
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第一作者:Guodong Zou
通讯作者:Bingcheng Ge, Hao Zhang, Qingrui Zhang, Carlos Fernandez, Wen Li, Jianyu Huang and Qiuming Peng
DOI:10.1039/C9TA00744J
IF:10.733 一区

本文亮点

MXene、物理化学、能源与燃料、微波合成、微波高压、微波水热

 

前言

2019年,Journal of Materials Chemistry A 杂志发表了燕山大学科研团队在高性能对称锂离子电池。该工作报道了具有高性能对称锂离子电池用MXene Na0.55Mn1.4Ti0.6O4杂化物的自还原合成方法的研究。

 

研发背景

日益严重的环境问题和能源挑战吸引了人们对开发绿色高效储能系统的迫切需求。寻找能够提高锂离子电池(LIBs)性能的新材料是当今最具挑战性的问题之一。在此,开发了一种基于双极材料-MXene/Na0.55Mn1.4Ti0.6O4的稳定的对称性LIB。这种双极性混合材料呈现出典型的MXene型层状结构,具有较高的导电性,分别含有Mn4+/Mn3+(3.06 V)和Mn2+/Mn(0.25 V)两个电化学活性氧化还原偶。

这种基于MXene/Na0.55Mn2O4的对称全电池在迄今为止报道的所有对称全电池中表现出最高的能量密度393.4 Wh kg-1,其中它赋予了2.81 V的高平均电压和140mAh g-1的可逆容量,电流密度为100 mA g-1。此外,在500 mA g-1的电流密度下,它在200次循环后提供了79.4%的容量保持率。这款全对称锂离子电池将激励人们进一步研究使用相同活性材料、安全性更高、成本更低、寿命更长的新型锂离子电池。

 

图表解析
Figure 1 (a) 不同样品的XRD图案。(b) MXene/NMTO样品的SEM图像。(c)(b)的局部高倍图像。(d) MX烯/NMTO样品的TEM图像,插图对应其SAED图案。(e)(d)中侧面区域的局部高倍TEM图像。(f,g)分别为MX烯和MX烯/NMTO样品的低损耗和核心损耗EELS图谱。(h)MX烯/NMTO样品中表面NMTO的HRTEM图像。(i) 反应时间对MX烯/NMTO样品中NMTO浓度和电导率的影响。
Figure 2 (a)在0.01-3.0 V电压范围内,以0.2 mV s-1的扫描速率,MXene/NMTO电极的CV曲线与Li/Li+。(b) MXene/NMTO样品的放电-充电曲线。(c) 三种样品在电流密度为100 mA g-1时的循环性能。库仑效率只涉及MX烯/NMTO样品。(d) 三个样品在电流范围为100-5000 mA g-1时的速率特性。(e) MX烯/NMTO样品在100-5000 mA g-1电流密度范围内的二次放电/充电曲线。(f) MX烯/NMTO电极在电流密度为5000 mA g-1时的长期循环性能。MX烯/NMTO电极的库仑效率仅有斑点。(g) MXene/NMTO复合材料与MXene基和氧化锰基阳极材料(MXene/Ag,23 Ti3C2/CNTs,30 Ti3C2Tx/NiCo2O4,31 TiO2/MXene,32 SnO2/MXene,32 MoS2/Mo2TiC2Tx,33 V2C-Co,34 Mn3O4/RGO,35 MnO2/C,36 SMOH/C,37 H-Mn3O438)的速率容量比较。
Figure 3 (a) MXene/NMTO电极在0.2 mV s-1的扫描速率下,在1.5-4.8 V与Li/Li+的电压范围内的CV曲线。(b) MXene/NMTO样品的放电/充电曲线。(c) 三个样品在100-1000 mA g-1电流范围内的速率特性。(d) 两个样品在电流密度为100 mA g-1时的循环特性。库仑效率只涉及MXene/NMTO样品。(e) 两个样品在1000 mA g-1的电流密度下的长期循环性能。仅显示了MX烯/NMTO电极的库仑效率。
Figure 4 (a)MXene/NMO||MXene/NMTO对称LIBs的示意图。(b)在0.6-3.7 V电压范围内,扫描速率为0.2 mV s-1的电极与Li/Li+的CV曲线。(c)全电池的放电/充电曲线。(d) 全电池在100-1000 mA g-1电流密度范围内的速率特性和库仑效率。(e) 全电池在电流密度为500 mA g-1时的循环特性。200次循环后容量保持率仍为79.4%。插图显示了由MXene/NMTO对称电池驱动的发光LED灯泡。(e)最近报道的对称LIBs(淡紫色阴影)和SIBs(LiVPO4F,6 Li3V2(PO4)3,7 LiNi1/Co1/3Mn1/3O2,42 Li3V1. 9Fe0.1(PO4)3,43 Na2.55V6O16,44 Na0.66Ni0.17Co0.17Ti0.66O2,45 Na0.8Ni0.4Ti0.6O2,3 Na0.6Cr0.6Ti0.4O2,46 Na2V6O16,47 NiFe2O4,48 Na3MnTi(PO4)3,49 Na3V2(PO4)3/C-BN,50 Na3V2(PO4)3/AC51)。
Figure 5 (a-d)放电过程中NMTO电极的典型形态变化。(e-h)充电过程中NMTO电极的典型形态变化。原始(i)、放电(j)和充电(k)NMTO电极的原位SAED模式。(l)NMTO的EELS光谱。
Figure 6 (a-d)放电过程中NMTO电极的典型形态变化。(e-h)充电过程中NMTO电极的典型形态变化。原始(i)、放电(j)和充电(k)NMTO电极的原位SAED模式。(l)NMTO的EELS光谱。

全文小结

综上所述,基于MXene的自还原作用,通过简单的微波辅助反应合成了一种新的MXene/NMTO杂化体。通过环境球差校正电子显微镜,明确了晶体结构和反应过程。Mn2+/Mn和Mn4+/Mn3+的氧化还原偶分别占阳极和阴极反应。利用这种低成本的双极性电极,量身定做了一种锂离子全电池,以满足储能的需求。

该全电池在所有对称LIBs和NIBs中显示出最高的能量密度393.4 Wh kg-1,在所有关于对称LIBs全电池的研究中,平均电压最高为2.81 V。这些关于低成本、高效率、高能量密度和高电压锂离子全电池的研究结果将极大地促进储能技术的发展,也将为设计先进的锂离子全电池提供新的途径。

 

祥鹄科技
本文所使用产品


XH-8000Plus 多用途微波化学合成仪既能做常压体系微波合成又能做高压体系微波水热合成。使用微波辅助的水热反应(高压密闭体系)可使原本需要放在烘箱里做2~3天的反应,在1~2小时内就能完成,达到了几十倍的增效,大大提高了工作效率。微波反应的本质是针对反应物分子直接供能,降低活化能,触发新的反应通道。该仪器的工作温度高达260℃,工作压力高达6MPa.

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