山东大学冯金奎教授， Nano research最新成果：柔性自支撑MXene/Na2C6O6复合膜电极用于钠离子电池

第一作者：王正冉 张煜婵

通讯作者：冯金奎*

单位：山东大学

与锂离子电池相比，钠离子电池具有两大优势：一是原料成本低，在海水等资源中含量丰富，二是钠离子电池有相对稳定的电化学性能，相比锂离子电池使用更加安全。但是钠离子的半径较大，在无机电极材料的晶格中嵌入与脱出更加困难，导致这些电极材料面临着低容量利用率和缓慢的动力学过程，限制了钠离子电池的商业化应用。

而有机醌类材料具有较大空隙，可以利用自身官能团可以可逆地存储钠离子，且有机醌类材料具有较高的理论比容量、较高的氧化还原电位和较好的电化学性能，具有很大的应用潜力。但是有机醌类电极材料的自身导电性差，在电解液中的溶解性较高，面临着实际应用的挑战。

基于此，来自山东大学的冯金奎教授，在国际知名期刊Nano research上发表题为“Free-standing Na₂C₆O₆/MXene composite paper for high-performance organic sodium-ion batteries”的研究文章。

钠离子电池被视为下一代大规模储能系统的理想选择，有机材料被认为是钠离子电池有前途的正极材料。然而，有机材料本身的导电性差和在电解液中的溶解问题阻碍了其发展。该文章通过简单的真空过滤和抗溶剂方法成功制备了柔性玫棕酸二钠/MXene复合膜，通过引入MXene材料与有机醌材料结合，将其优劣互补，所得到的正极材料具有很好的导电性和机械性能，且具有优异的电化学性能。王正冉，张煜婵为文章的共同第一作者。

Na₂C₆O₆电极材料优异的理论比容量使其具有作为钠离子电池正极材料具有非常高的研究价值，但是Na₂C₆O₆作为钠离子电池的正极材料存在着许多的缺陷。Na₂C₆O₆电极材料，其实际比容量远远小于充放电循环的理论比容量，同时Na₂C₆O₆自身的导电性差和其在电解液中的溶解问题，也限制了其在钠离子电池中的应用。MXene具有高电导率、低电子扩散能垒等特性，能够为高比容量活性物质的负载提供良好的载体并促进循环过程中的 Na⁺ 传输。

本文通过反溶剂法和真空抽滤法获得了柔性Na₂C₆O₆/MXene有机复合膜，无需导电剂和粘结剂直接作为钠电池正极材料，节省了组装电池的材料成本和时间，无需复杂的有机合成或材料改性，即可阻止有机物的溶解，增加有机物的导电性，进而提高有机材料的可逆比容量和钠电池的实用性。

具有高导电性的MXene片可形成导电网络，复合后可提高有机材料的导电性，有利于促进循环过程中Na⁺的传输。大面积的二维MXene不仅为Na₂C₆O₆材料的负载提供了足够的空间，并对其吸附，防止有机物溶解在电解液中。

柔性Na₂C₆O₆ /MXene复合膜可以直接作为电极使用，不需要粘合剂、导电添加剂，实现了电极结构的一体化，能更好维持电极的结构完整性。非活性物质的使用会对电池能量密度产生不良影响，电极结构的一体化可有助于节省组装电池的材料成本和时间，实现优异的电化学存储性能。

图 2 (a) Na₂C₆O₆的 SEM 图 (b-f) MXene 的SEM 和EDS图。(g) 柔性Na₂C₆O₆/MXene 复合膜图像。(h-m) 柔性Na₂C₆O₆/MXene 复合膜的SEM 和EDS图

Free-standingNa₂C₆O₆/MXene composite paper for high-performance organic sodium-ion batteries

冯金奎教授简介：山东大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，入选国家级青年人才，山东省杰青，泰山学者青年专家，山东大学材料物理化学研究所副所长。1999-2008本硕博毕业于武汉大学化学与分子科学学院，2008-2012在新加坡国立大学和美国宾夕法尼亚州立大学从事博士后研究工作，2012年至今在山东大学材料科学与工程学院工作。

主要研究从事高能量二次电池材料研究。共发表SCI 论文200余篇，他引9000余次。担任Nature子刊Scientific Reports编委。Nature Publication Group 旗下刊物Scientific Reports 编委、高起点期刊ChemPhysMate编委、Energy& Environmental Materials、Susmat、Rare Metals、Infomat、Tungsten、工程科学学报青年编委，长期招聘博士后。

王正冉：山东大学材料科学与工程学院2021级博士，研究方向为MXene基新型高性能密度二次电池材料的的设计、制备及性能研究；

张煜婵：山东大学材料科学与工程学院2020级博士，研究方向为硅氧烯的制备改性。

点分享

点赞支持

点在看