冯新亮院士《AEM》：多功能分子接枝V₂C-MXene作为双离子储能装置的高动力学钾离子插层阳极

采用阴离子嵌入石墨阴极构建双离子储能装置提供了同时实现高能量密度和输出功率密度的独特机会。然而，一个关键的挑战仍然是缺乏与石墨阴极匹配的合适阳极，特别是在使用具有丰富钾的可持续电解质系统中。

近日，德累斯顿工业大学冯新亮院士、Minghao Yu报告了一种利用多功能偶氮苯磺酸的表面接枝方法，该方法可将V2C MXene转化为用于双离子储能装置的高动力学K+嵌入阳极（ASA-V2C）。重要的是，接枝偶氮苯磺酸提供了额外的K+储存中心和快速的K+跳转位点，同时在V2C层之间起到缓冲作用，以减轻K+插层/脱出过程中的结构畸变。这些功能使V2C电极的比容量（0.05 A g-1时为173.9 mAh g-1 vs. 121.5 mAh g-1）、倍率能力（20 A g-1时为43.1% vs. 12.0%）和循环稳定性（在0.05 A g-1下循环900次后为80.3% vs. 45.2%）显著增强。此外，当与阴离子嵌入石墨阴极耦合时，ASA-V2C阳极展示了其在双离子储能装置中的潜力。值得注意的是，该装置的最大能量密度可达175 Wh kg-1，功率密度达6.5 kW kg-1，与超级电容器相当，优于最近报道的基于Li+-、Na+- 和K+的双离子装置。

文章要点：

1. 这项工作提出了一种在V2C MXene（ASA-V2C）上接枝多功能偶氮苯磺酸的有效策略，以获得高动力学K+嵌入阳极，从而进一步组装出具有高能量和高功率密度优势的双离子储能装置。

2. 偶氮苯磺酸的接枝是通过4-氨基偶氮苯-4′-磺酸钠盐的胺重氮化和随后的重氮脱除反应实现的，从而使层间距离从原始V2C的0.86 nm显著扩大到ASA-V2C的1.25 nm。

3. 研究显示，与V2C阳极相比，ASA-V2C电极的比容量（0.05 A g-1时为173.9 mAh g-1 vs. 121.5 mAh g-1）和倍率能力（20 A g-1时为43.1% vs. 12.0%）明显增强。这种增强可归因于偶氮苯单元的存在，它们提供了额外的K+储存中心，同时磺酸盐阴离子可作为快速的K+跳转位点。此外，接枝的"软"分子不仅扩大了V2C的层间距离，而且在反复的K+插层/脱出过程中起到了内部应变缓冲器的作用，从而有效缓解了结构畸变，提高了ASA-V2C电极的长期循环稳定性。

4. 此外，作者通过将ASA-V2C阳极与阴离子嵌入石墨阴极耦合，展示了一种工作电压窗口为2.5-4.5 V的双离子储能装置。通过利用阳极和阴极的高动力学离子插层/脱出过程，组装后的装置可提供175 Wh kg-1的最大能量密度和与超级电容器相当的功率密度（65 Wh kg-1时为6.5 kW kg-1），大大超过了最近报道的双离子装置。

图1 材料合成和储钾过程示意

图2 倍率性能和动力学研究

图3 循环性能对比

图4 双离子嵌入装置的电化学性能

封面来源于图虫创意