功能化硫掺杂Ti3 C2 Tx 限域锑负极在高性能钠离子电池中的增强机制研究

针对锑基负极材料在钠离子电池(SIBs)中因体积膨胀导致的电极坍塌和容量衰减问题，研究人员通过表面修饰自组装和低温热还原技术，设计出硫功能化Ti3 C2 Tx 限域锑复合材料(Sb/S-Ti3 C2 Tx )。该材料通过形成Ti-S-Sb化学键抑制体积膨胀，提升钠存储容量(563.5 mAh g?1 @0.1 A g?1 )和倍率性能(450.9 mAh g?1 @5.0 A g?1 )，全电池能量密度达209.8 Wh kg?1 ，为高性能SIBs开发提供新思路。

　　

在能源转型的大背景下，钠离子电池(SIBs)因其原材料储量丰富、成本低廉，被视为锂离子电池(LIBs)的理想替代品。然而，钠离子半径(1.02 ?)远大于锂离子(0.76 ?)，导致电极材料在充放电过程中承受更大的体积变化。特别是锑(Sb)负极虽具有高达660 mAh g^?1
的理论比容量，但其290%的体积膨胀会引发电极结构崩塌，严重制约实际应用。传统碳基材料虽能缓解部分应力，但依靠范德华力的界面结合难以有效限制锑颗粒的粉化。

针对这一挑战，中国的研究团队创新性地将目光投向二维过渡金属碳化物(MXenes)。这类材料具有类石墨烯层状结构和优异导电性，其表面丰富的官能团为构建稳定界面提供了可能。研究人员通过硫掺杂策略对Ti₃
C₂
T_x
进行功能化改造，设计出具有化学键合界面的Sb/S-Ti₃
C₂
T_x
复合材料，相关成果发表于《Journal of Colloid and Interface Science》。

关键技术方法
研究采用水热法合成Sb₂
S₃
纳米线，通过HCl/LiF溶液蚀刻Ti₃
AlC₂
获得少层Ti₃
C₂
T_x
纳米片。通过表面修饰自组装和低温热还原工艺构建复合材料，结合密度泛函理论(DFT)计算和分子动力学模拟分析电子分布与离子扩散行为。

研究结果

1. 材料合成与表征
   XRD证实Ti₃
   C₂
   T_x
   的(002)晶面峰位于7°，硫掺杂后层间距扩大。TEM显示Sb纳米线均匀分布在S-Ti₃
   C₂
   T_x
   层间，XPS证实Ti-S-Sb键的形成。

2. 电化学性能
   Sb/S-Ti₃
   C₂
   T_x
   在0.1 A g^?1
   下循环100次后保持563.5 mAh g^?1
   的可逆容量，5.0 A g^?1
   高倍率下仍达450.9 mAh g^?1
   。组装的Na₃
   V₂
   (PO₄
   )₃
   /C全电池实现209.8 Wh kg^?1
   的能量密度，5000次循环后容量保持率81.2%。

3. 机理分析
   DFT计算表明，S-Ti₃
   C₂
   T_x
   的钠离子吸附能(?2.98 eV)显著优于O-Ti₃
   C₂
   T_x
   (?1.45 eV)。分子动力学模拟显示，Ti-S-Sb键使Sb-Sb键波动幅度降低37%，钠离子扩散能垒下降52%。

结论与意义
该研究通过界面化学键工程策略，首次实现硫功能化MXenes对锑负极的多重调控：① Ti-S-Sb键抑制体积膨胀；② 硫掺杂提升电子传导和离子扩散动力学；③ 锑纳米线防止MXenes堆叠，增强电解液浸润性。这种"键合-限域-缓冲"协同机制为高稳定性合金负极设计提供了普适性思路，推动SIBs在规模储能领域的实用化进程。