北京化工大学《AFM》：柔性MXene骨架促进石墨电极稳定储钾！

由于化石燃料供应的不断枯竭、环境污染和全球变暖的日益严重的影响，风能和太阳能等可再生能源的利用对于实现可持续发展至关重要。电化学储能技术，特别是电池，是高效利用可再生能源不可缺少的技术。石墨阳极显示出巨大的储钾潜力，但由于层间大量膨胀/收缩(即高达60%)引起的结构退化，其容量迅速衰减。

来自北京化工大学等单位的研究人员，采用Ti₃C₂T_xMXene纳米片作为快电子/钾离子双功能导体，构建了全集成石墨纳米片(GNF)/MXene(GNFM)电极骨架。连续的MXene骨架构成了快速电子/钾离子转移的三维通道，使GNFM电极具有很高的结构稳定性。由于这种独特的MXene骨架，GNFM电极即使在高质量负载下也比传统的聚合物键合电极表现出更高的储钾性能。此外，GNFM电极在不可燃电解液中也表现出令人印象深刻的循环性能，并被进一步用作阳极组装新型不可燃钾离子电容器，表现出优异的循环性能和高的能量/功率密度(113.1 Wh kg^-1和12.2kW kg^-1)。用Operando XRD验证了对GNFM电极相变机理的新认识，密度泛函理论计算表明，Mxene能促进异质界面上的电子转移和钾扩散。因此，研究结果表明，以MXene为多功能骨架设计的全集成GNFM电极为制备高效储钾阳极提供了一种新的方案。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202102126

综上所述，本论文采用Ti₃C₂T_xMXene纳米片作为快电子/钾离子双导体，通过真空溅射含有GNFS和MXene纳米片的混合分散体，构建了GNFM全集成电极的骨架。在GNFM电极中，Mxene纳米片层状重叠和互锁形成了连续的Mxene骨架，这使得GNFM电极具有快速的电子/钾转移能力和较高的结构稳定性。用Operando XRD验证了GnFM电极的储钾机理，其相变为G(G-t)→稀释阶段(KC_144-168)、→阶段4(KC₄₈)、→阶段3(KC₃₆)、→阶段2(KC₂₄)、→阶段1(KC₈)及其相反过程。密度泛函计算结果表明，Mxene能有效地促进G/M异质界面的电子转移和钾扩散，Mxene之间的强相互作用是保证GnFm电极结构稳定性的关键。由于这种独特的MXene结构，GNFM电极表现出优异的储钾性能，如大容量、优异的循环性能和倍率性能，特别是在高质量负载时，远远优于传统电极。

此外，GNFM电极还在NFE中表现出令人印象深刻的循环性能，并被进一步用作组装新型不可燃钾离子电容器的阳极。该方法为构建高性能的储钾器件提供了一种新的制备石墨阳极的方案，并可推广到其他在电化学储能充放电过程中体积变化较大的活性材料。深入了解石墨阳极的相变机理和钾在GNF/MXene异质界面上的吸附/迁移，将加深对电化学储钾机理的理解。（文：SSC）

图1.Ti₃C₂T_x Mxene的储钾特性

图2.GNFM全集成电极的制备及GNFS和MXene、GNFM-1.5和GNF-PVDF-1.5的表征

图3.GNFM全集成电极的特性。

图4.GNFM全集成电极的储钾机理

图5. GNF-PVDF-1.5和GNFM-1.5电极的电化学储钾行为和性能。

图6.GNF和MXene异质界面上钾吸附/扩散的理论模拟。

图7. GNFM全集成电极在不可燃电解液中的电化学性能及其作为不可燃钾离子电容器阳极的应用。