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Covalently bonded MXene@Antimonene heterostructure anode for fast lithium-ion storage

阳极 共价键 异质结 材料科学 化学工程 电化学 介电谱 插层(化学) 光电子学 化学 纳米技术 无机化学 电极 有机化学 工程类 物理化学
作者
Zheng Bo,Zhouwei Zheng,Yanzhong Huang,Pengpeng Chen,Jianhua Yan,Kefa Cen,Runwei Mo,Huachao Yang,Kostya Ostrikov
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:485: 149837-149837 被引量:7
标识
DOI:10.1016/j.cej.2024.149837
摘要

Alloying-type antimony (Sb) is a promising anode of lithium-ion batteries (LIBs) due to its high capacity compared to commercial intercalation-type graphite. However, Sb anodes show unsatisfactory rate performance and poor cycling stability. To address these challenges, covalently-bonded MXene@antimonene (MXene@AME) heterostructure is designed and synthesized. The deliberate combination of the electrostatic-driven self-assembly, custom-designed surface-grafted cationic groups, and a simple annealing treatment produces the AME nanosheets anchored onto conductive MXene matrix via Ti − O − Sb covalent bonding. The synthesized covalently-bonded heterostructure achieves advantageous features of reinforcing the structural stability, alleviating the volume expansion, improving charge transfer kinetics via Ti − O − Sb bonding, and reducing the Li-ion migration energy barrier at the heterointerfaces. Consequently, MXene@AME anode demonstrates outstanding rate capability (346 mAh/g at 10 A/g) and exceptional cyclic stability (retention of 103.4 % after 2,000 cycles at 1 A/g), which are superior to most non-covalently-bonded alloying-type anodes. The lithiation/de-lithiation pathways and Li-ion storage mechanisms are revealed by in-situ potential-electrochemical impedance spectroscopy, in-situ XRD and ex-situ HRTEM, complemented with theoretical analysis. The heterostructure anodes undergo stepwise phase transformations across two states during discharging, followed by a direct reversion to the original phase upon charging, presenting an unusual asymmetric conversion mechanism. Moreover, a full cell was assembled using MXene@AME heterostructure anode and commercial NCM 523 cathode, which shows good rate capability and cyclic stability, proving its feasibility in practical applications.

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