东南大学孙正明/潘龙团队：MXene负载双金属碲化物构筑内嵌界面电场，高倍率长循环储钾

研究背景

钾离子电池(PIBs)因其能量密度高、成本低等优势，在规模化储能系统中具有广阔的应用前景。过渡金属碲化物(TMTs)是一类典型的转化型PIB负极材料，具有高理论容量、电子电导率高等特点；然而TMTs存在的两个关键问题限制了其储钾性能的发挥：离子扩散动力学缓慢，倍率储钾性能弱；离子脱嵌导致体积变化大，循环寿命衰减严重。为此，东南大学孙正明/潘龙团队在前期工作基础上(Adv Energy Mater, 2022, 12, 2203118; Adv Mater, 35, 2211311; Energy Storage Mater, 2023, 58, 165)，提出了一种异质界面策略，即在二维Ti₃C₂Tₓ MXene纳米片表面原位构筑CoTe₂/ZnTe异质结构纳米复合材料(CoTe₂/ZnTe/Ti₃C₂Tₓ，CZT)。研究表明，CoTe₂/ZnTe异质结能够有效降低钾离子扩散能垒、提高钾离子迁移速率，并形成界面内嵌电场进一步促进界面电荷传输。此外，高导电率的Ti₃C₂Tₓ MXene不仅促进了电子输运，也有效缓解了钾离子嵌入脱出过程中CoTe₂/ZnTe的体积变化。因此，CZT负极表现出优异的倍率性能(10 A g⁻1时为137.0 mAh g⁻1)和循环稳定性(3.0 A g⁻1循环4000次后为175.3 mAh g⁻1，容量保持率为89.4%)。其与普鲁士蓝(KPB)正极组装的钾离子全电池仍然表现出良好的循环性能(200 mA g⁻1循环400次后为77.4 mAh g⁻1)和高能量密度(220.2 Wh kg⁻1)。

Built‑In Electric Field‑Driven Ultrahigh‑Rate K‑Ion Storage via Heterostructure Engineering of Dual Tellurides Integrated with Ti₃C₂Tₓ MXene

Long Pan#, Rongxiang Hu#, Yuan Zhang, Dawei Sha, Xin Cao, Zhuoran Li, Yonggui Zhao, Jiangxiang Ding, Yaping Wang*, ZhengMing Sun*

Nano-Micro Letters (2023)15: 225

https://doi.org/10.1007/s40820-023-01202-6

本文亮点

1. 异质结构CoTe₂/ZnTe内嵌电场促进界面电荷传输，加快钾离子扩散动力学。

2. 引入二维Ti₃C₂Tₓ纳米片，提升负极电子电导性能，缓解循环过程中体积变化。

3. CoTe₂/ZnTe/Ti₃C₂Tₓ负极具有优异的钾离子存储性能：10 A g⁻1下的放电比容量为137.0 mAh g⁻1，3.0 A g⁻1循环4000后容量保持率为89.4%。

内容简介

可再生能源，如风能和太阳能，已经成为解决全球环境和气候问题的最重要和最有影响力的方式之一。然而，可再生能源具有间歇性和不可调度性，需要开发高能量密度、长循环稳定、低成本的电网储能技术。钾离子电池(PIBs)的能量密度可与锂离子电池相媲美，且地球钾资源更丰富，具有更低的成本，在大规模储能领域，有望成为锂离子电池的重要补充。过渡金属碲化物(TMTs)具有高理论比容量和高电子电导率，在PIB负极研究中受到越来越多的关注。但是，TMTs离子扩散动力学缓慢、循环过程中体积变化大等问题，限制了其应用进程。

CoTe₂(CT)和ZnTe(ZT)具有互补的钾离子储存特性：ZT负极循环性能优异，但比容量较低；CT负极比容量较高，但循环性能较差，这两种材料是TMT负极材料的两类典型代表。东南大学孙正明/潘龙团队采用CT、ZT作为研究对象，提出异质结构界面策略，在二维MXene纳米片表面原位构筑异质结构双金属碲化物复合纳米材料(CoTe₂/ZnTe/Ti₃C₂Tₓ，CZT)。理论模拟和实验结果表明，CT/ZT异质结构可以增强钾离子吸附、降低钾离子扩散能垒、提高离子迁移速率，并在界面处形成内嵌电场促进电荷转移。同时Ti₃C₂Tₓ纳米片的高弹性和高电导率促进电子转移并缓解体积膨胀。因此，CZT负极可以实现高比容量、高倍率和稳定储钾性能，在10 A g⁻1时的放电比容量为137.0 mAh g⁻1，超高倍率电流(3.0 A g⁻1)下稳定循环4000次后容量保持率为89.4%。与普鲁士蓝(KPB)正极配对的KPB||CZT全电池具有良好的循环性能(200 mA g⁻1循环400次后为77.4 mAh g⁻1)和高能量密度(220.2 Wh kg⁻1)，具有良好的应用潜力。

图文导读

图1. 理论计算：(a)CoTe₂，(b)ZnTe和(c)CoTe₂/ZnTe的能带结构和态密度曲线；(d)K⁺吸附能以及(e)K⁺迁移能垒；(f)CoTe₂/ZnTe的电荷密度差和功函数；(d)和(e)中插图分别为K⁺吸附K⁺迁移路径模型。

图2. 制备流程和形貌表征：(a)CZT的制备过程示意图；(b)CoZn-MOF/Ti₃C₂Tₓ的SEM图像；CZT的(c，d)SEM图像，(e)TEM图像，(f)高分辨TEM图像，(g)SAED和(h)元素分布图。

图3. 晶体结构表征：(a)CZT的XRD，(b)拉曼光谱，和(c)氮吸附-脱附等温线；ZT、CT和CZT的XPS精细图谱：(d)Co 2p，(e)Zn 2p和(f)Te 3d。(c)中插图是CZT的BET比表面积。

图4. 半电池储钾性能：(a)CZT负极前三圈CV曲线；(b)CT、ZT和CZT的恒电流充放电曲线；(c，d)CT、ZT和CZT在0.2和3 A g⁻1下的循环性能；(e)CT、ZT和CZT的倍率性能；(f)CZT的倍率性能与先前报道的工作进行比较；(g)嵌钾和脱钾过程中CT、ZT和CZT的K⁺扩散系数；(h)不同扫描速率下CZT、ZT和CT的电容贡献比率。

图5. 全电池性能：(a)KPB||CZT全电池示意图；(b)半电池中CZT负极和KPB正极在0.1 A g⁻1下的充放电曲线；(c)不同电流密度下的恒电流充放电曲线，以及(d)KPB||CZT全电池的倍率性能；(e)KPB||CZT全电池与其他已报道的电池性能对比图；(f，g)KPB||CZT全电池在0.1和0.2 A g⁻1下的循环性能；(g)中插图是由KPB||CZT全电池供电的LED灯的照片

作者简介

孙正明

本文通讯作者

东南大学教授

▍主要研究领域

新型储能材料；二维材料及其复合材料；金属晶须自发生长现象及机理。

▍主要研究成果

东南大学材料系第一届本科毕业生，中科院金属所硕士，中科院金属所-维也纳大学联合培养博士，师从师昌绪院士、王中光教授。先后在中科院、维也纳大学（博士后）、日本丰桥技科大学（JSPS）进行复合材料、金属间化合物等研究，在美国Drexel大学学术休假期间，与NASA合作进行航空发动机高温轴承材料研究。回国前在日本产业技术综合研究所（AIST）任部长助理兼主任研究员（终身职位）。获国家级人才，已辞去海外职务，全职在东南大学任教。研究领域涵盖金属、陶瓷、金属间化合物、复合材料等在结构、热电转换、储氢、储能等领域的基础与应用，在J. Mater. Chem. A、Carbon、Inter. Mater. Rev.、Acta Mater. 等期刊上发表150多篇SCI学术论文，申请40多项发明专利。最近十年，主要活跃在金属性陶瓷材料，即MAX相及其衍生材料MXene等研究领域。回国后，主持国家重点研发项目课题1项，国家自然科学基金重点项目1项，面上项目2项，江苏省双创团队项目1项，江苏省双创人才项目1项等。担任中国复合材料学会职称评定委员会常务副主任委员、江苏省海外交流协会常务理事等。2016年获第六届全国侨界贡献（创新人才）奖。

▍Email：zmsun@seu.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2022JCR影响因子为 26.6，学科排名Q1区前5%，中科院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。