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北化徐斌教授:MXene助力新能源电池!

已有 1152 次阅读 2019-10-12 15:58 |系统分类:论文交流| Bi2MoO6, MXene, 体积膨胀, 倍率性能, 导电性

Plate-to-Layer Bi2MoO6/MXene-Heterostructured Anode for Lithium-Ion Batteries

Peng Zhang, Danjun Wang, Qizhen Zhu*, Ning Sun,Feng Fu*, Bin Xu*
Nano-Micro Lett. (2019) 11: 81
https://doi.org/10.1007/s40820-019-0312-y

本文亮点
1 采用静电自组装在二维MXene纳米片层上负载钼酸铋,构筑出具有盘-片异质结构的Bi2MoO6/MXene复合负极材料;
2 MXene作为基底材料,可显著改善Bi2MoO6的导电性并有效缓冲其充放电过程中的体积膨胀
3 Bi2MoO6/MXene异质结构表现出高的比容量、超长的循环稳定性和优异的倍率性能
内容简介
北京化工大学徐斌教授、朱奇珍副教授课题组与延安大学付峰教授课题组合作,在前期工作的基础上,通过在高导电性的二维MXene纳米片上负载双金属氧化物Bi2MoO6构筑了Bi2MoO6/MXene异质结构,显著改善了Bi2MoO6作为锂离子电池负极材料的电化学性能。本论文的第一作者为博士研究生张鹏。
采用静电自组装的方法将水热法制备的表面带正电荷的纳米盘状钼酸铋组装在表面带负电荷的二维MXene纳米片上。这一独特的异质结构可以有效避免Bi2MoO6的团聚,同时,具有类金属导电性的MXene的加入不仅可以显著提高电极的导电性,还可有效缓冲Bi2MoO6在嵌锂过程中的体积膨胀。因此,Bi2MoO6/MXene异质结构表现出了较高的比容量、优异的循环稳定性和倍率性能。
研究背景
锂离子电池由于能量密度高、循环寿命长、环境友好等优势,在便携式电子设备、电动汽车、规模储能等领域得到广泛的应用。然而,目前商业化的石墨负极材料容量较低,限制了锂离子电池能量密度的进一步提高。因此,开发高容量的负极材料成为当前研究的热点。钼酸铋是一种层状结构的双金属氧化物,被广泛应用作光催化材料。新近有研究表明,钼酸铋具有高的嵌锂理论比容量(790 mAh/g)和较低的嵌锂电位(<1 V),是一种很有前景的锂离子电池的负极材料。然而,由于导电性欠佳、充放电过程中体积膨胀较大,其循环和倍率性能有待进一步改善。
图文导读
Bi2MoO6/MXene异质结构的制备过程示意图

采用LiF+HCl刻蚀Ti3AlC2制备出表面带负电的二维MXene纳米片,采用水热法合成了表面带正电荷的纳米盘状Bi2MoO6。将两溶液混合,纳米盘状Bi2MoO6和MXene纳米片静电自组装得到Bi2MoO6/MXene异质结构。

图1 Bi2MoO6/MXene异质结构的制备过程示意图。

Bi2MoO6/MXene异质结构的形貌表征
从SEM图可以看出,Bi2MoO6呈不规则“盘状”结构。经静电自组装后,Bi2MoO6均匀分散在MXene片层上。

图2 (a) MXene的SEM图; (b) Bi2MoO6的SEM图; (c,d) Bi2MoO6/MXene-50%; (e,f) Bi2MoO6/MXene-30%; (g,h) Bi2MoO6/MXene-10%的SEM图。
Bi2MoO6/MXene异质结构的电化学性能
相比于纯Bi2MoO6材料,Bi2MoO6/MXene异质结构表现出较高的比容量、优异的循环稳定性和倍率性能。Bi2MoO6/MXene-30%在0.1 A/g电流下经200次循环后比容量为在692 mAh/g,而在1 A/g的大电流下循环1000次后比容量还依旧保持有545.1 mAh/ g,表明Bi2MoO6/MXene-30%在循环过程中具有优异的结构稳定性。

图4 Bi2MoO6/MXene-30%(a)在0.1 mV/s下的CV图; (b)充放电曲线; (c) Bi2MoO6/MXene-50%, Bi2MoO6/MXene-30%, Bi2MoO6/MXene-10%, Bi2MoO6的循环性能; (d) Bi2MoO6/MXene-30%在不同电流密度下充放电曲线; (e) Bi2MoO6/MXene-50%, Bi2MoO6/MXene-30%, Bi2MoO6/MXene-10%, Bi2MoO6的倍率性能; (f) Bi2MoO6/MXene-30%在1 A/g下的长循环性能。
Bi2MoO6/MXene异质结构的动力学机理
MXene的加入使得Bi2MoO6/MXene异质结构的锂离子扩散系数显著高于纯Bi2MoO6。同时,通过在不同扫速下的CV分析,Bi2MoO6/MXene异质结构的储锂容量包含了较高比例的电容贡献,因而具有优异的倍率性能和循环稳定性。

图2 Bi2MoO6/MXene-30%的动力学分析: (a) GITT曲线; (b)锂离子扩散系数; (c)在不同扫速下的CV曲线; (d) log i和log v关系曲线; (e) 1 mV/s扫速下CV曲线中的电容贡献; (f) 在不同扫速下的电容贡献比例图。
作者简


徐斌

(本文通讯作者)

北京化工大学材料科学与工程学院

教授、博士生导师

主要研究领域

主要从事先进化学电源与能源材料的研究与开发,包括超级电容器、锂/钠/钾离子电池、锂-硫电池电极材料与器件,以及电化学储能用炭材料和新型二维MXene材料等。

主要研究成果

材料电化学过程与技术北京市重点实验室副主任,中国超级电容产业联盟副秘书长在Adv Mater, Adv Energy Mater, Adv Funct Mater, Energy Environ Sci, ACS Energy Lett, Nano Energy等期刊发表SCI论文100余篇,SCI引用4900次以上,H因子38。获省部级科技进步二等奖2项和全国优秀博士学位论文提名。
Email: xubin@mail.buct.edu.cn; binxumail@163.com

朱奇珍

(本文通讯作者)

北京化工大学青年优秀后备人才

材料科学与工程学院见习副教授

主要研究领域

从事新能源材料的研究与开发,包括锂硫电池新型电极材料及电解质体系、锂二次电池用功能性电解液和锂/钠离子电池新型电极材料研究等。

主要研究成果

在Nano Energy, Chemical Science, Journal of Materials Chemistry A等本学科国际重要SCI期刊发表论文36篇。

Email: zhuqz@mail.buct.edu.cn


付峰

(本文通讯作者)

延安大学化学与化工学院

教授、博士生导师

主要研究领域

主要从事能源催化材料的研究与开发、资源高效清洁利用工艺技术开发等。

主要研究成果

陕西省“三秦人才”计划入选者、陕西省“化学工程与技术”重点学科带头人、教育部高等学校化工类专业教学指导委员会委员、延能-延大综合能源产业技术研究院院长。先后在Appl. Catal. B: Environ., J. Mater. Chem. A, Chem. Eng. J., J. Catal., J. Mater. Chem. C, Ind. Eng. Chem.Res., Chem. Eur. J.等期刊发表研究论文80余篇;授权国家发明专利9项;获省级科学技术奖二等奖1项、三等奖2项。

Email: yadxfufeng@126.com

撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报》编辑部

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