聚多巴胺/MXene纳米复合正极在锂离子电池和钾离子电池中的电化学性能评估

《Battery Energy》：Electrochemical Evaluation of Polydopamine/MXene Nanocomposite Cathodes for Lithium- and Potassium-Ion Batteries

本研究通过原位聚合制备了不同质量比的聚多巴胺（PDA）/MXene纳米复合材料（PDA90MXene10、PDA70MXene30、PDA50MXene50），并评估其作为锂离子电池（LIBs）和钾离子电池（KIBs）负极的电化学性能。结果表明，PDA70MXene30在100 mA g?1电流密度下分别实现297.8 mAh g?1（LIBs）和249.3 mAh g?1（KIBs）的高容量，且表现出优异的循环稳定性和速率性能，归因于MXene的导电性和PDA的氧化还原活性协同作用。

　　在当前能源需求日益增长的背景下，研究人员不断探索新的电池技术以实现更高的能量密度和更低的成本。锂离子电池（LIBs）因其优异的能量密度和广泛的应用而成为主流技术，但锂元素在地球上的储量有限，仅占地球表层的0.0017%，并且其地理分布不均导致高昂的成本，从而促使人们寻找替代材料。钾离子电池（KIBs）作为一种新兴的储能技术，因其钾元素在地球上的丰富性和经济性而受到关注。钾的储量约为锂的880倍，且其价格仅为锂的约90%，这使其成为一种更具可持续性和经济性的选择。然而，钾离子的半径比锂离子大，约为其1.8倍，这在传统电极材料中可能带来插入和提取的困难。

本研究重点探讨了聚多巴胺（PDA）与MXene纳米复合材料在锂离子和钾离子电池中的应用潜力。PDA作为一种具有氧化还原活性的有机聚合物，理论上可以容纳大量锂离子，其容量可达2006?mAh?g?1。然而，由于PDA的分子结构和自聚反应的限制，其实际容量往往受到抑制。MXene是一种二维过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物，具有良好的导电性和结构特性，可以作为导电基底以改善PDA的电化学性能。通过将PDA与MXene结合，形成不同重量比例的纳米复合材料（如PDA90MXene10、PDA70MXene30和PDA50MXene50），研究人员发现这些复合材料在锂离子电池中表现出更优异的性能。

在电化学测试中，PDA70MXene30纳米复合材料在100?mA?g?1电流密度下展现出最高的比容量，分别为297.8?mAh?g?1（对于LIBs）和249.3?mAh?g?1（对于KIBs）。这一结果表明，PDA与MXene之间的协同作用显著提升了电极材料的性能。MXene的高导电性不仅促进了电子传输，还增强了离子在电极材料中的扩散能力。此外，MXene的引入提高了材料的热稳定性，使得PDA基复合材料在高温条件下仍能保持结构完整性，从而减少了热分解的风险。

在结构表征方面，通过场发射扫描电镜（FE-SEM）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和X射线衍射（XRD）等手段，研究人员确认了PDA在MXene层间的有效结合。PDA的分子结构在复合材料中得到了保留，同时MXene的导电性和层状结构为离子传输提供了更优的通道。此外，热重分析（TGA）结果表明，随着MXene含量的增加，纳米复合材料的热稳定性显著提升，其热分解温度也相应提高，这进一步支持了MXene对PDA结构的保护作用。

电化学性能的评估表明，PDA70MXene30在高电流密度下（如5000?mA?g?1）仍能保持较高的比容量，显示出出色的倍率性能。同时，其在100次循环后仍能保持较高的容量保持率，这表明其具有良好的结构稳定性和可逆性。相比之下，PDA100MXene0（纯PDA）和PDA0MXene100（纯MXene）在高电流密度下表现较差，容量迅速衰减。PDA100MXene0的导电性较低，导致严重的极化现象；而PDA0MXene100的电荷存储机制主要依赖于表面控制的电容反应，其内部层间钾离子的插入受到限制。

进一步分析表明，PDA/MXene纳米复合材料在KIBs中的表现同样优异。尽管钾离子的扩散速度较慢，但MXene的引入显著提升了材料的导电性和结构稳定性，使得其在不同电流密度下均能保持较高的比容量。例如，在100?mA?g?1的电流密度下，PDA70MXene30的比容量达到了249.3?mAh?g?1，且其界面电阻显著降低，仅为421?Ω。这一结果表明，MXene在KIBs中的应用不仅提高了电极材料的导电性，还优化了电极与电解质之间的相互作用，从而提升了电池的整体性能。

通过电化学阻抗谱（EIS）和循环伏安法（CV）等手段，研究人员进一步揭示了PDA/MXene复合材料的电化学机制。在CV测试中，PDA70MXene30表现出更显著的氧化还原峰，这表明其在电极中提供了更多的活性位点，并且其电化学反应效率更高。同时，EIS测试结果显示，随着MXene含量的增加，电极的界面电阻显著下降，这表明MXene在降低电荷转移阻力方面发挥了重要作用。特别是在KIBs中，MXene的引入不仅提升了导电性，还改善了电极与电解质之间的界面特性，使得钾离子的传输更加高效。

此外，XRD和FE-SEM的分析结果表明，PDA/MXene复合材料在充放电过程中能够保持结构的可逆性。在充放电状态下的XRD图谱显示，随着锂或钾离子的插入，MXene的层间距发生改变，而在放电过程中，这一结构能够部分恢复，表明材料具有良好的可逆性。这种结构适应性使得PDA/MXene复合材料在长期循环中仍能保持稳定的电化学性能，从而提高了电池的使用寿命。

在实际应用中，PDA70MXene30表现出卓越的电化学性能，这使其成为高能量密度LIBs和KIBs的潜在候选材料。其优异的比容量、良好的倍率性能以及出色的循环稳定性，使得该材料在多种电流密度下均能表现出色。同时，其较低的界面电阻和较高的容量保持率，也表明其在实际电池系统中的应用前景广阔。

本研究不仅验证了PDA与MXene复合材料在电池中的性能优势，还为开发新型高性能电极材料提供了理论支持和实验依据。通过调节PDA和MXene的比例，研究人员发现30%的MXene含量是最佳选择，能够在保持材料结构稳定的同时，显著提升其电化学性能。这种材料的优化设计为未来的电池技术发展提供了新的思路，尤其是在寻求可持续、低成本储能解决方案的背景下。

综上所述，PDA/MXene纳米复合材料在锂离子和钾离子电池中均表现出优异的性能，特别是在30% MXene含量的PDA70MXene30中，其比容量、倍率性能和循环稳定性均达到最佳。MXene的引入不仅提升了材料的导电性，还增强了其热稳定性和结构适应性，使得PDA在电池中能够发挥更大的作用。因此，这种材料有望在未来成为高能量密度储能设备的重要组成部分，推动电池技术的进一步发展。