Adv. Sustain. Syst.｜静电组装构建转化型/插层型Co₂V₂O₇@Ti₃C₂Tₓ中空结构用于高性能锂离子电池负极

1、研究背景：

可充电电池作为一种绿色高效的能源存储系统，在过去的几十年里受到了广泛的关注。尽管锂离子电池已经商业化应用，但由于常用的石墨阳极的理论容量较低，导致便携式/可穿戴电子产品的快速发展对更高储能能力的需求得不到满足。转化型材料，如过渡金属氧化物，由于其多电子转移过程和相转化的优势而表现出高理论容量，但其电导率低，在充放电过程中电极材料粉碎严重。Ti₃C₂T_x MXene作为一种新兴的二维材料，拥有刚性结构和金属导电性的特点，但其理论容量较低，仅为320 mAh g^–1。此外，由于氢键和范德华相互作用，MXene纳米片倾向于密集地重新堆叠导致表面积、电导率和活性位点的显著降低，进一步降低了它们的实际输出能量。因此，如何有效的将高理论容量的过渡金属氧化物与高导电性的二维MXene材料相结合，设计并制备出具有优异电化学性能的电极材料用于高性能锂离子电池变得尤为重要。

2、文章概述：

南京工业大学孙庚志教授课题组与兰州大学周金元教授课题组报道了以ZIF-67为前驱体，通过离子交换、表面修饰和静电组装合成Co₂V₂O₇@Ti₃C₂T_x MXene空心结构的策略。坚固的Ti₃C₂T_x MXene外壳不仅通过Ti中心的价态变化和表面基团的氧化还原反应贡献了Li⁺存储位点，而且在锂化和去锂化过程中为内部的Co₂V₂O₇提供了导电和坚固的骨架。此外，空心结构使离子在Co₂V₂O₇中能够快速扩散，同时减轻了Li⁺嵌入和相变引起的结构应变。

3、图文导读：

图1 C₂V₂O₇@MXene空心多面体的制备示意图。

图2 （a, b）ZIF-67和钴钒氧化物多面体的扫描电镜图像。（a）和（b）插图分别显示了ZIF-67和钴钒氧化物水分散体的照片。（c）MXene纳米薄片（0.3 mg mL⁻¹）、钴钒氧化物多面体（CoV-oxides, 0.5 mg mL⁻¹）和表面修饰后的钴钒氧化物（CoV-CTA⁺, 0.5 mg mL⁻¹）的Zeta电位。（d） CoV-CTA⁺@MXene空心多面体扫描电镜和（e）透射电镜图像。（d）中的插图显示了CoV-CTA⁺@MXene多面体的照片。（f）MXene、CoV-oxides和CoV-CTA⁺@MXene的拉曼光谱。（g）高分辨率透射电镜图像，（h）CVO@MXene的元素映射图谱。（i）CVO@MXene退火后的拉曼光谱。

图3 Co₂V₂O₇@MXene复合材料的（a）XPS全谱图和（b-f）Co 2p，V 2p，O 1s，Ti 2p，及C 1s的核级光谱。

图4 （a）空心Co₂V₂O₇@MXene在0.1 mV s^–1时的CV曲线。（b）MXene，CVO和CVO@MXene在0.1 A g⁻¹时的倍率性能和（c）循环性能。（d）转化型Co₂V₂O₇和插层型Ti₃C₂T_x MXene对高效锂离子存储的协同贡献示意图。（e）Ti₃C₂T_x，Co₂V₂O₇和中空Co₂V₂O₇@MXene的奈奎斯特图。（f）Co₂V₂O₇@MXene在2.0 A g⁻¹循环450圈的循环稳定性。

图5 （a）Co₂V₂O₇@MXene阳极从0.1到2 mV s^–1不同扫描速率下的CV曲线。（b）根据Co₂V₂O₇@MXene的CV曲线阴极峰和阳极峰计算出的b值。计算了Co₂V₂O₇@MXene（c）在0.5 mV s⁻¹的电容贡献和（d）不同扫描速率下由电容主导的容量贡献。

4、结论：

结合转化型CVO内层和插层型MXene外壳的优点，成功地设计出具有高效Li⁺存储性能的中空结构。得益于MXene外壳的高导电性和机械坚固性，CVO的高理论容量，以及独特的空心结构，合成的CVO@MXene复合材料在0.1 A g⁻¹时输出容量为949.7 mAh g⁻¹，在5.0 A g⁻¹时输出容量保持在431.4 mAh g⁻¹，在2.0 A g⁻¹的高电流密度下稳定性增强，450次循环后输出容量保持在490.3 mAh g⁻¹。研究成果为实现转化型和插层型材料的协同利用提供了指导。

该项目研究获得国家自然科学基金（21975123）和江苏省六大人才高峰项目（XCL-024）的资助，谨此感谢。