近年来，电化学储能技术在各种充电电池中得到了长足的发展。其中，可充电锂离子电池(LIBs)和钠离子电池(SIBs)以其高能量密度和高功率密度而闻名，在电子发明、电动汽车和大型储能系统方面具有很大的应用潜力。金属氧化物作为负极材料能够为电池提供理想的电化学性能。然而，单一的金属氧化物纤维电极也同样存在诸多问题，如：结构不稳定，负载不均匀等。构建新型的异质结构是比较理想的解决方法。本研究介绍了一种创新的方法，将二维Ti₃C₂T_x MXene纳米片与环境友好的MOF-Fe₂O₃@碳纳米纤维结合，构建一种独特的珠状结构，展示出了优异的储锂/钠性能。

近日，江南大学乔辉教授团队在期刊《Journal of Power Sources》上，发表了最新研究成果“Ti₃C₂T_x MXene@metal-organic frameworks-derived bead-like carbon nanofibers heterostructure aerogel for enhanced performance lithium/sodium storage”。研究者通过静电纺丝，水热和热处理工艺将Fe-MOF原位生长在多孔碳纳米纤维表面，再与Ti₃C₂T_x MXene经过一步冷冻干燥复合制备出珠状MOF-Fe₂O₃@CNFs@Ti₃C₂T_x MXene(FCM)气凝胶。得益于三维导电网络的协同作用以及Ti₃C₂T_x MXene的空间限制效应，FCM应用于LIBs，在2 A/g循环2000周可实现450 mAh/g的高可逆容量。应用于SIBs，在1 A/g循环1000周仍保持200 mAh/g的长循环稳定性。

图1：珠状Fe₂O₃@C@Ti₃C₂T_x MXene制备示意图

图2：珠状Fe₂O₃@C@Ti₃C₂T_x MXene的形貌表征

该项工作中，通过静电纺丝，原位生长，碳化处理合成了串珠状Fe₂O₃@C，再与Ti₃C₂T_x MXene经过冷冻干燥复合制备了串珠状Fe₂O₃@C@Ti₃C₂T_x MXene。在静电纺丝过程中加入FeCl₃·6H₂O可为外来原子提供异质成核和生长位点，从而使Fe-MOF能够锚定在这些成核位点上。相比于传统的Fe₂O₃电极，该方法构建了特殊的异质结构，充分发挥了Fe₂O₃@C的高导电性以及Ti₃C₂T_x MXene的空间限制效应，大大提高了电化学过程中的离子传输效率和稳定性。

图3：珠状Fe₂O₃@C@Ti₃C₂T_x MXene在锂离子电池中的性能

图4：珠状Fe₂O₃@C@Ti₃C₂T_x MXene在钠离子电池中的性能

为了研究珠状Fe₂O₃@C@Ti₃C₂T_x MXene作为电极材料的电化学性能，分别组装了锂离子和钠离子半电池。测试结果显示，锂离子电池的测试中，在10 A/g的大电流密度下仍能够保持203 mAh/g的可逆容量，并在2 A/g下循环2000周，放电容量为401 mAh/g。钠离子电池的测试中，在5 A/g的电流密度下容量为98 mAh/g，在1 A/g下循环1000周仍能保持197 mAh/g的可逆容量。以上测试结果表明：MOF-Fe₂O₃由纳米晶亚单元组成，缓解了绝对应力，并为电化学过程和表面电容存储提供了丰富的活性位点，从而实现了优异的可逆容量。此外，Ti₃C₂T_x MXene层作为屏蔽层能够减少充放电过程中的MOF-Fe₂O₃@C纳米团簇，显著缓解了体积膨胀，从而提高了循环稳定性。并且多孔珠状纳米纤维提供了较大的电极-电解液界面，提高了离子传输效率，提高了电化学反应活性。

图5：珠状Fe₂O₃@C@Ti₃C₂T_x MXene在全电池中的应用

为验证珠状Fe₂O₃@C@Ti₃C₂T_x MXene的实际应用场景，对其组装了FCM-6//LiCoO₂和FCM-6//Na₃V₂(PO₄)₃全电池，可以看出其应用在锂离子电池和钠离子电池分别能够点亮63个和35个LED小灯泡，并同样具有优异的循环稳定性。因此，珠状Fe₂O₃@C@Ti₃C₂T_x MXene作为负极材料展现出了广阔的应用前景，为下一代可充电电池的电极材料构建提供了新思路。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2024.234586

人物简介：

乔辉，江南大学教授、博士研究生导师。主持国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、江苏省产学研联合创新基金、中国博士后科学基金特别资助及面上项目等国家（或省部）级项目。近年来在Advanced Fiber Materials、Small、Chemical Engineering Journal、Advanced Composites and Hybrid Materials和 ACS Applied Materials & Interfaces等期刊共发表SCI论文80余篇，他引2000余次；参编《Functional Nanofibers and Their Applications》英文教材1部；授权发明专利4项；荣获教育部自然科学奖二等奖、中国纺织工业联合会科技进步奖三等奖、中国商业联合会科技进步奖三等奖等5项。