最新研發的高性能MXene電極 為新一代強力電池鋪路

二維材料MXene能夠快速儲存能量，因而成為能源界的超新星，廣受關注，但它不穩定的電壓輸出，大幅限制了其實際應用。由香港城市大學（香港城大）科學家領導的一項合作研究，最近通過使用高電壓掃描策略，開發出具有穩定電壓輸出和高能量密度等優點、類電池性質的「Nb₂CTx MXene電極」。這項最新發現，料有助於科學家研發新一代強力電池。  

這項研究由香港城大材料科學及工程學系（MSE）支春義教授和范俊副教授共同領導，同系的講座教授陳福榮也為今次研究作出了重大貢獻。研究結果已於科學期刊《焦耳》（Joule）發表，題為 〈Intrinsic voltage plateau of a Nb₂CTx MXene cathode in an aqueous electrolyte induced by high-voltage-scanning〉。

能量儲存領域的超新星

MXene是一個龐大的二維納米物料家族，過去十年它們一直是二維儲能物料科研領域中的重點研究物料。MXene電極不單擁有出色的電子傳導性和特大的比表面面積，更具有快速表面氧化還原的特徵，展現出高速率能量儲存的優點。

然而，若要把MXene應用於可儲能的商業化電池卻有困難，其中最大挑戰是當前研究結果均表明MXene電極缺乏一個明顯及平穩的放電電壓平台（discharge voltage plateau），這意味著它們在放電時輸出電壓會迅速下降，無法穩定放電。這個缺陷降低了MXene電極輸出電壓在高壓區域的佔比，也令到能量輸出不夠穩定，導致MXene電極的能量密度有限，通常低於於100 Wh kg^-1（每公斤100瓦時）。

為了克服能量輸出不穩定的問題，由香港城大學者領導的研究團隊成功開發了類電池型的Nb₂CTx MXene電極。團隊發現，通過調節電壓，即是把掃描電壓視窗由2.0V增強至2.4V，Nb₂CTx MXene電極即展示與以往完全不同的電化學特性。在2.4V的高電壓掃描下，Nb₂CTx MXene呈現出典型的類電池特徵，放電能力優秀兼穩定；這與同一物料在較低電壓下呈現的不穩定放電特性和以往其他研究所描述的MXene系統截然不同。

高電壓掃描策略令MXene呈現優異電池特性

研究團隊又發現，Nb₂CTx/Zn電池在高電壓掃描的情況下，可以展現出卓越的高速率儲電能力、持續耐久的迴圈再充電性能，以及高能量密度。更重要的是，他們在實驗中成功賦予MXene電極一個電壓為1.55V的穩定放電平台，提高了其能量密度，達到146.7 Wh kg^-1（每公斤146.7瓦時），是目前水性MXene電極中最高，其中63%的能量更是由上述放電平台區域所貢獻，故今次發現打破了MXene電極的性能瓶頸。

「電壓平台的缺乏導致MXene電極的電力容量和能量密度變差，從而限制了它們發展成為高性能電池的潛力。我們今次的研究，便成功勾劃出一個有效的策略，通過高電壓掃描這方法，我們創造及研發出具有明顯及優秀放電電壓平台的高能量密度MXene電極。這發現大大改善了MXene電極的電化學性能。」香港城大支春義教授說。

支春義教授相信，今次的研究成果，將激發更多科研人員去探索MXene家族這新興物料尚未被發掘出來的電化學特性。他說：「二維物料MXene的特點是快速的表面氧化還原及高速儲能，故具有出色的倍率能量儲存性能。隨著電壓輸出變得穩定以及能量密度獲得大幅增強，建基於MXene的能量儲能裝置，距離可以實際應用的目標已向前邁出一大步。」

支春義教授以及范俊副教授是論文的通訊作者，第一作者是同樣來自香港城大MSE的博士畢業生李新亮博士。其他共同作者包括MSE的講座教授陳福榮，以及來自7所大學和研究機構的其他16名研究人員。這項研究獲得了「中國國家重點研發計劃」的支持。

https://www.cityu.edu.hk/zh-hk/research/stories/2021/11/05/developing-high-performance-mxene-electrodes-next-generation-powerful-battery