最新研发的高性能MXene电极 为新一代强力电池铺路
二维材料MXene能够快速储存能量，因而成为能源界的超新星，广受关注，但它不稳定的电压输出，大幅限制了其实际应用。由香港城市大学（城大）科学家领导的一项合作研究，最近通过使用高电压扫描策略，开发出具有稳定电压输出和高能量密度等优点、类电池性质的"Nb2CTx MXene电极"。这项最新发现，料有助於科学家研发新一代强力电池。
这项研究由城大材料科学及工程学系（MSE）支春义教授和范俊副教授共同领导，同系的讲座教授陈福荣也为今次研究作出了重大贡献。研究结果已於科学期刊《焦耳》（Joule）发表，题为 〈Intrinsic voltage plateau of a Nb2CTx MXene cathode in an aqueous electrolyte induced by high-voltage-scanning〉。
能量储存领域的超新星
MXene是一个庞大的二维纳米材料家族，过去十年它们一直是二维储能材料科研领域中的重点研究材料。MXene电极不单拥有出色的电子传导性和特大的比表面面积，更具有快速表面氧化还原的特徵，展现出高速率能量储存的优点。
然而，若要把MXene应用於可储能的商业化电池却有困难，其中最大挑战是当前研究结果均表明MXene电极缺乏一个明显及平稳的放电电压平台（discharge voltage plateau），这意味着它们在放电时输出电压会迅速下降，无法稳定放电。这个缺陷降低了MXene电极输出电压在高压区域的占比，也令到能量输出不够稳定，导致MXene电极的能量密度有限，通常低於100 Wh kg-1（每公斤100瓦时）。
为了克服能量输出不稳定的问题，由城大学者领导的研究团队成功开发了类电池型的Nb2CTx MXene电极。团队发现，通过调节电压，即是把扫描电压视窗由2.0V增强至2.4V，Nb2CTx MXene电极即展示与以往完全不同的电化学特性。在2.4V的高电压扫描下，Nb2CTx MXene呈现出典型的类电池特徵，放电能力优秀兼稳定；这与同一材料在较低电压下呈现的不稳定放电特性和以往其他研究所描述的MXene系统截然不同。
高电压扫描策略令MXene呈现优异电池特性
研究团队又发现，Nb2CTx/Zn电池在高电压扫描的情况下，可以展现出卓越的高速率储电能力、持续耐久的迴圈再充电性能，以及高能量密度。更重要的是，他们在实验中成功赋予MXene电极一个电压为1.55V的稳定放电平台，提高了其能量密度，达到146.7 Wh kg-1（每公斤146.7瓦时），是目前水性MXene电极中最高，其中63%的能量更是由上述放电平台区域所贡献，故今次发现打破了MXene电极的性能瓶颈。
"电压平台的缺乏导致MXene电极的电力容量和能量密度变差，从而限制了它们发展成为高性能电池的潜力。我们今次的研究，便成功勾划出一个有效的策略，通过高电压扫描这方法，我们创造及研发出具有明显及优秀放电电压平台的高能量密度MXene电极。这发现大大改善了MXene电极的电化学性能。"城大支春义教授说。
支春义教授相信，今次的研究成果，将激发更多科研人员去探索MXene家族这新兴材料尚未被发掘出来的电化学特性。他说："二维材料MXene的特点是快速的表面氧化还原及高速储能，故具有出色的倍率能量储存性能。随着电压输出变得稳定以及能量密度获得大幅增强，建基於MXene的能量储能装置，距离可以实际应用的目标已向前迈出一大步。"
支春义教授以及范俊副教授是论文的通讯作者，第一作者是同样来自城大MSE的博士毕业生李新亮博士。其他共同作者包括MSE的讲座教授陈福榮，以及来自7所大学和研究机构的其他16名研究人员。这项研究获得了"中国国家重点研发计划"的支持。
本文已于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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