第一作者：朱曉雪，楊凱

通訊作者：楊建

通訊單位：南京工業大學

楊建，南京工業大學教授，博士生導師，長期從事結構－功能一體化材料的應用基礎研究：微波功能材料，先進陶瓷及其成型技術，二維過渡族金屬碳（氮）化物，電化學儲能材料。

研究背景

便攜式電子產品、電動汽車和儲能電站的快速發展刺激了對高能量密度和高安全性鋰離子電池（LIBs）日益增長的需求。然而，主要商用石墨負極材料具有理論比容量低（372 mAh g^-1）和鋰枝晶生長等問題極大地限制了鋰離子電池的發展。此外，在LIB負極的傳統制備工藝中，導電劑和粘結劑的使用不僅會犧牲能量密度，破壞導電網絡，還會導致工藝復雜化。因此，開發高容量、無添加的新型鋰離子電池陽極意義重大。

成果簡介

鑒于此，南京工業大學楊建教授在ACS Applied Materials & Interfaces期刊上發表了題為“Additive-Free Anode with High Stability: Nb₂CT_x MXene Prepared by HCl-LiF Hydrothermal Etching for Lithium-Ion Batteries”的研究論文。本文開發了一種粘度可調的有機F-Nb₂CT_x墨汁，直接作為無添加劑LIBs負極具有優異的長期循環穩定性。首先，本研究選擇了理論比容量（542 mAh g^-1）更高的新型Nb₂CT_x MXene，采用簡單的一步HCl-LiF水熱腐蝕法制備了高質量的F-Nb₂CT_x納米片，其電導率可達500 S cm^-1。其次，利用HCl誘導絮凝和NMP處理進一步制備了粘度可調的有機F-Nb₂CT_x墨汁。將F-Nb₂CT_x墨汁直接作為無添加劑LIBs負極時，其在1 A g^-1條件下循環5000次后，可逆比容量為444.0 mAh g^-1，表現出優異的循環性能。

研究亮點

1. 采用HCl-LiF水熱腐蝕法制備了高質量F-Nb₂CT_x納米片，其電導率高達500 S cm^-1，提升了兩個數量級。

2. 成功制備了粘度可調的有機F-Nb₂CT_x墨汁，可直接作為無添加劑LIBs負極。

3. 有機F-Nb₂CT_x墨汁在1 A g^-1條件下循環5000次后，可逆比容量為444.0 mAh g^-1，表現出優異的循環性能。

4. F-Nb₂CT_x在充放電過程中表現出有趣的原位電化學氧化現象。

圖文解讀

圖1. M-Nb₂CT_x和F-Nb₂CT_x納米片、懸浮液及薄膜的相關表征。

圖2. F-Nb₂CT_x的XRD圖譜、N₂吸附/解吸曲線和孔徑分布及XPS光譜。

圖3. F-Nb₂CT_x墨汁的流變性、F-Nb₂CT_x和F-Nb₂CT_x墨汁電極的電化學性能。

圖4. F-Nb₂CT_x和F-Nb₂CT_x墨汁電極的電荷存儲機制分析。

圖5. F-Nb₂CT_x和F-Nb₂CT_x墨汁電極循環前后的相關表征。

總結展望

本研究采用簡單的HCl-LiF水熱腐蝕法制備了高質量的F-Nb₂CT_x納米片，其橫向尺寸大（0.5-1 μm），缺陷少，電導率高達500 S cm^-1，比之前報道的Nb₂CT_x 高出兩個數量級。此外，通過HCl誘導絮凝和NMP處理進一步制備了粘度可調的有機F-Nb₂CT_x墨汁。將F-Nb₂CT_x墨汁直接用作不含添加劑的LIBs負極時，表現出優異的循環性能，在0.5 A g^-1條件下循環500次后，比容量為524.0 mAh g^-1，在1 A g^-1條件下循環5000次后，比容量為444.0 mAh g^-1。有趣的是，F-Nb₂CT_x納米片在循環過程中發生了原位電化學氧化，使其容量逐漸增加。對于倍率性能，在5 A g^-1的高電流密度下獲得了159.8 mAh g^-1的比容量，當電流密度恢復到0.5 A g^-1時，實現了約95.65%的出色容量保持率。這項研究提出了一種簡單且可擴展的制備高質量Nb₂CT_x及其水系/有機墨汁的工藝，證明了其作為電化學儲能設備電極的重要應用潛力。

文獻信息

Zhu X, Yang K, Zhang Z, et al. Additive-Free Anode with High Stability: Nb2CTx MXene Prepared by HCl-LiF Hydrothermal Etching for Lithium-Ion Batteries[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2024. https://doi.org/10.1021/acsami.4c05140