表面端基卤化Ti_(3)C_(2) MXene应用于锂离子电池高容量电极材料的研究

摘要

Mxenes以其优异的比表面积、高导电率和组分可调性而受到广泛研究,并用作高效锂离子电池的电极材料。然而,其有限的存储容量以及锂离子扩散引起的剧烈晶格膨胀限制了MXenes作为电极材料的应用。本研究设计了具有代表性的MXene材料卤化(氟化、氯化或溴化)-Ti_(3)C_(2)。采用基于密度泛函理论的范德瓦耳斯修正的第一性原理计算方法研究了表面端基(T=F^(-)、Cl^(-)和Br^(-))修饰对锂离子电池中Ti_(3)C_(2)负极的原子结构、电学性质、力学性质以及电化学性能的影响。研究表明,Ti_(3)C_(2)T_(2)单层具有良好的结构稳定性、力学性质和导电性质。相比Ti_(3)C_(2)F_(2)和Ti_(3)C_(2)Br_(2),Ti_(3)C_(2)Cl_(2)单层具有较大的弹性模量(沿二维薄膜两个方向的弹性模量分别为321.70和329.43 N/m)、较低的锂离子扩散势垒(0.275 eV)、开路电压(0.54 V)和较大的理论存储容量(化学计量比为Ti_(3)C_(2)Cl_(2)Li_(6)时达674.21 mA·h/g),这表明Ti_(3)C_(2)Cl_(2)单层作为锂电池电极具有良好的安全稳定性和充放电速率。此外,端基氯化扩大了层间距,进而提高了Ti_(3)C_(2)Cl_(2)中锂离子的可穿透性和快速充放电速率。本研究表明,表面氯化的Ti_(3)C_(2)纳米薄膜是一种很有前途的锂电池负极材料,为其它的MXenes基电极材料设计与开发提供了重要的设计思路。