南京工业大学杨建教授ACS AMI：通过HCl-LiF水热腐蚀制备用于锂离子电池的Nb2CTx MXene高稳定性无添加剂负极

第一作者：朱晓雪，杨凯

通讯作者：杨建

通讯单位：南京工业大学

杨建，南京工业大学教授，博士生导师，长期从事结构－功能一体化材料的应用基础研究：微波功能材料，先进陶瓷及其成型技术，二维过渡族金属碳（氮）化物，电化学储能材料。

研究背景

便携式电子产品、电动汽车和储能电站的快速发展刺激了对高能量密度和高安全性锂离子电池（LIBs）日益增长的需求。然而，主要商用石墨负极材料具有理论比容量低（372 mAh g^-1）和锂枝晶生长等问题极大地限制了锂离子电池的发展。此外，在LIB负极的传统制备工艺中，导电剂和粘结剂的使用不仅会牺牲能量密度，破坏导电网络，还会导致工艺复杂化。因此，开发高容量、无添加的新型锂离子电池阳极意义重大。

成果简介

鉴于此，南京工业大学杨建教授在ACS Applied Materials & Interfaces期刊上发表了题为“Additive-Free Anode with High Stability: Nb₂CT_x MXene Prepared by HCl-LiF Hydrothermal Etching for Lithium-Ion Batteries”的研究论文。本文开发了一种粘度可调的有机F-Nb₂CT_x墨汁，直接作为无添加剂LIBs负极具有优异的长期循环稳定性。首先，本研究选择了理论比容量（542 mAh g^-1）更高的新型Nb₂CT_x MXene，采用简单的一步HCl-LiF水热腐蚀法制备了高质量的F-Nb₂CT_x纳米片，其电导率可达500 S cm^-1。其次，利用HCl诱导絮凝和NMP处理进一步制备了粘度可调的有机F-Nb₂CT_x墨汁。将F-Nb₂CT_x墨汁直接作为无添加剂LIBs负极时，其在1 A g^-1条件下循环5000次后，可逆比容量为444.0 mAh g^-1，表现出优异的循环性能。

研究亮点

1. 采用HCl-LiF水热腐蚀法制备了高质量F-Nb₂CT_x纳米片，其电导率高达500 S cm^-1，提升了两个数量级。

2. 成功制备了粘度可调的有机F-Nb₂CT_x墨汁，可直接作为无添加剂LIBs负极。

3. 有机F-Nb₂CT_x墨汁在1 A g^-1条件下循环5000次后，可逆比容量为444.0 mAh g^-1，表现出优异的循环性能。

4. F-Nb₂CT_x在充放电过程中表现出有趣的原位电化学氧化现象。

图文解读

图1. M-Nb₂CT_x和F-Nb₂CT_x纳米片、悬浮液及薄膜的相关表征。

图2. F-Nb₂CT_x的XRD图谱、N₂吸附/解吸曲线和孔径分布及XPS光谱。

图3. F-Nb₂CT_x墨汁的流变性、F-Nb₂CT_x和F-Nb₂CT_x墨汁电极的电化学性能。

图4. F-Nb₂CT_x和F-Nb₂CT_x墨汁电极的电荷存储机制分析。

图5. F-Nb₂CT_x和F-Nb₂CT_x墨汁电极循环前后的相关表征。

总结展望

本研究采用简单的HCl-LiF水热腐蚀法制备了高质量的F-Nb₂CT_x纳米片，其横向尺寸大（0.5-1 μm），缺陷少，电导率高达500 S cm^-1，比之前报道的Nb₂CT_x 高出两个数量级。此外，通过HCl诱导絮凝和NMP处理进一步制备了粘度可调的有机F-Nb₂CT_x墨汁。将F-Nb₂CT_x墨汁直接用作不含添加剂的LIBs负极时，表现出优异的循环性能，在0.5 A g^-1条件下循环500次后，比容量为524.0 mAh g^-1，在1 A g^-1条件下循环5000次后，比容量为444.0 mAh g^-1。有趣的是，F-Nb₂CT_x纳米片在循环过程中发生了原位电化学氧化，使其容量逐渐增加。对于倍率性能，在5 A g^-1的高电流密度下获得了159.8 mAh g^-1的比容量，当电流密度恢复到0.5 A g^-1时，实现了约95.65%的出色容量保持率。这项研究提出了一种简单且可扩展的制备高质量Nb₂CT_x及其水系/有机墨汁的工艺，证明了其作为电化学储能设备电极的重要应用潜力。

文献信息

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