1成果简介

　　MXene 材料在锂离子电池应用中大有可为，但却面临着层间重新堆叠的挑战，这阻碍了材料的机械坚固性和离子传输。本文，清华大学王佳平 教授、柳鹏 副研究员等在《ACS Applied Energy Materials》期刊发表名为“Carbon Nanotube/MXene Composite with a Dense Regular Connective Tissue Structure and Its Application in Lithium-Ion Batteries”的论文，研究受脊椎动物致密规则结缔组织的启发，开发了一种仿生物复合材料，将超配位碳纳米管（SACNTs）和 Ti3C2 整合在一起。
　　在这种结构中，SACNTs “纤维 ”充当机械骨架和传输通道，而 Ti3C2 “细胞 ”则均匀分散，并暴露出丰富的锂储存位点。这种复合材料可以承受高达 8.01% 的应变和 1000 次的大角度弯曲。在电化学方面，它在室温下表现出令人称道的速率能力（10 A g-1 时为 253.1 mA h g-1）和强大的循环稳定性（5 A g-1 时为 3300 次循环），即使在 -40 °C 下也能保持功能。密度泛函理论计算强调了碳层在降低锂吸附能方面的功效。这种生物仿生策略有效地解决了 MXene 重新堆叠的难题，提高了其在先进储能领域的实用性。
　　2图文导读 

　　图1. Ti3C2 和类 DRCT CNT/Ti3C2 薄膜的对比示意图。

　　图2. 各种薄膜的制备和表征。

　　图3. 薄膜的拉伸和弯曲机械性能 薄膜的拉伸和弯曲机械性能

　　图4. 薄膜在 25 和 -40 °C 下的电化学性能。

　　图5. 锂储存机制的计算和实验研究。
　　3小结
　　MXene 材料因其在 LIB 中的潜力而备受推崇，但其实际应用却受到层堆叠的限制。本研究利用 SACNT 和具有代表性的 MXene 材料 Ti3C2 设计了一种具有 DRCT 类结构的仿生物复合材料。SACNTs “纤维 ”提供了机械支持并增强了离子-电子传输动力学，而Ti3C2 “细胞 ”则均匀分散，抑制了堆叠并提高了储能功效。这种室温合成方法简单直接、可调节性强，可得到具有优异机械和电化学性能 DRCT类CNT/Ti3C2复合材料。在力学方面，类 DRCT CNT/Ti3C2薄膜可承受高达 8.01% 的应变。在1000次90° 和 180° 的弯曲循环中，薄膜的电阻增量分别稳定在约7%和10%。在电化学方面，EIS 和 GITT 测试表明，锂离子在界面和阳极内部的转移和扩散都很迅速。
　　在室温条件下，该阳极在10Ag-1的高电流密度下达到了253.1mA h g-1 的比容量，并可稳定循环3300次。此外，还首次测试了Ti3C2系统在-40 °C 下的锂存储性能。此外，还通过DFT计算和CV测量阐明了锂存储机理。DFT计算揭示了碳层在降低 Ti3C2 吸附能方面的作用，从而增强了其与锂的天然亲和力。CV测试证实了扩散和电容储能机制的存在，在扫描速率为 1mVs-1时，电容贡献率增加到62.6%。这种类似于DRCT的仿生结构为堆叠难题提供了一种创新的解决方案，释放了二维材料在先进储能应用方面的全部潜力。
　　文献：