Unlocking Ultrahigh Initial Coulombic Efficiency of MXene Anode via Presodiation and Electrolyte Optimization

法拉第效率 阳极 电解质 材料科学 纳米技术 化学工程 化学 电极 物理化学 工程类
作者
Pengfei Huang,Hangjun Ying,Shunlong Zhang,Zhao Zhang,Wei‐Qiang Han
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (27): 17996-18010 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c04909
摘要

The low initial Coulombic efficiency (ICE) greatly hinders the practical application of MXenes in sodium-ion batteries. Herein, theoretical calculations confirm that -F and -OH terminations as well as the tetramethylammonium ion (TMA+) intercalator in sediment Ti3C2Tx (s-Ti3C2Tx) MXene possess strong interaction with Na+, which impedes Na+ desorption during the charging process and results in low ICE. Consequently, Na+-intercalated sediment Ti3C2Tx (Na-s-Ti3C2Tx) is constructed through Na2S·9H2O treatment of s-Ti3C2Tx. Specifically, Na+ can first exchange with TMA+ of s-Ti3C2Tx and then combine with -F and -OH terminations, thus leading to the elimination of TMA+ and preshielding of -F and -OH. As expected, the resulting Na-s-Ti3C2Tx anode delivers considerably boosted ICE values of around 71% in carbonate-based electrolytes relative to s-Ti3C2Tx. Furthermore, electrolyte optimization is employed to improve ICE, and the results demonstrate that an ultrahigh ICE value of 94.0% is obtained for Na-s-Ti3C2Tx in the NaPF6-diglyme electrolyte. More importantly, Na-s-Ti3C2Tx exhibits a lower Na+ migration barrier and higher electronic conductivity compared with s-Ti3C2Tx based on theoretical calculations. In addition, the cyclic stability and rate performance of the Na-s-Ti3C2Tx anode in various electrolytes are comprehensively explored. The presented simple strategy in boosting ICE significantly enhances the commercialization prospect of MXenes in advanced batteries.
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