赝电容型MoO3@MXenes复合材料的增强储锂性能

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0144

摘要/Abstract

摘要： 商用石墨较低的理论比容量限制了锂离子电池性能的进一步提升，因此需要开发具有高比容量的锂离子电池负极材料。过渡金属钼氧化物（MoO₃）因高理论比容量和低成本优势而受到广泛关注，但MoO₃在实际应用中存在电子导电性差与反复充放电过程中体积膨胀、结构坍塌等问题，限制了其进一步应用。本文采用热合成策略使MoO₃的前驱体在Ti₃C₂X MXenes纳米片上原位生长MoO₃，构筑MoO₃@MXenes复合材料用于电化学储锂。结果表明，Ti₃C₂X MXenes作为基底提升了MoO₃的电子导电性，抑制了MoO₃在充放电过程中的体积膨胀，增强了MoO₃的赝电容特性、倍率性能和循环稳定性。1.2 mV·s^-1扫速下MoO₃@MXenes复合材料电容贡献率为85.6%，1.0 A·g^-1电流下充放电循环800次后MoO₃@MXenes复合材料仍具有565 mA·h·g^-1的高比容量，当电流密度增加40倍时其比容量保持率为47.5%。本研究研发的MoO₃@MXenes复合材料以赝电容储能为主，电荷转移电阻低，倍率性能和循环稳定性良好，该复合材料的制备方法为钼氧化物电极材料提供了新思路。

关键词: 钼氧化物; 热合成策略; Ti₃C₂X MXene; 原位生长; 赝电容特性; 储锂性能

Abstract: The further development of lithium-ion battery performance is restricted by the limited theoretical specific capacity of commercial graphite， thus highlighting the urgent need to develop lithium-ion battery anode materials with high specific capacity. Transition metal molybdenum oxide （MoO₃） has attracted considerable attention owing to its advantages of high theoretical specific capacity and low cost. However， MoO₃ has problems such as poor electronic conductivity， volume expansion and structural collapse during repeated charge-discharge cycles， which limits its further application. In this paper， the precursor of MoO₃ was in-situ grown on Ti₃C₂X MXenes nanosheets by thermal synthesis strategy to construct MoO₃@MXenes composites for electrochemical lithium storage. The results show that Ti₃C₂X MXenes as a substrate improves the electronic conductivity of MoO₃， inhibits the volume expansion of MoO₃ during charge-discharge cycles， and enhances the pseudocapacitive characteristics， rate performance and cycle stability of MoO₃. The contribution rate of MoO₃@MXenes composites is 85.6% at a scan rate of 1.2 mV·s^-1. After 800 charge-discharge cycles at a current density of 1.0 A·g^-1， MoO₃@MXenes composites still have a high specific capacity of 565 mA·h·g^-1. When the current density is increased by 40 times， the capacity retention rate is 47.5%. The MoO?@MXene composite developed in the study is mainly based on pseudocapacitive eneray storage， with low charge-transfer resistance， excellent rate performance and cycling stability. This synthesis strategy of the composite material offers a new method for molybdenum oxide electrode materials.

Key words: molybdenum oxide; thermal synthesis strategy; Ti₃C₂X MXene; in situ growth; pseudocapacitive characteristic; lithium storage performance

中图分类号:

TB34

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图/表 5

图1 M350、M450和M550的物性表征。（a）M350、M450和M550的XRD图谱； M350（b）、M450（c）和M550（d）的SEM照片；M350的TEM照片（e）和高倍TEM照片（f）；M350中Mo（g）和O（h）元素的TEM Mapping图像及元素组成分布图（i）

Fig.1 Characterization of physical properties of M350， M450 and M550. （a） XRD patterns of M350， M450 and M550； SEM images of M350 （b）， M450 （c） and M550 （d）； TEM image （e） and high magnification TEM image （f） of M350； TEM Mapping images of Mo （g） and O （h） elements in M350 and elemental composition distribution mapping （i）

图2 MoO3@MXenes的物性表征。（a）SEM照片；（b）TEM照片，插图显示SAED衍射环；（c）高倍TEM照片；（d）TEM Mapping图像；C（e）、Ti（f）、O（g）和Mo（h）的TEM Mapping图像；（i）EDS图

Fig.2 Characterization of physical properties of MoO3@MXenes. （a） SEM image；（b） TEM image， illustration shows SAED diffraction ring；（c） high magnification TEM image；（d） TEM Mapping image；（e） TEM Mapping images of C （e）， Ti （f）， O （g） and Mo （h）；（i） EDS image

图3 MoO3@MXenes、Ti3C2X MXenes和M350的XRD图谱（a）、Raman光谱（b）和XPS图（c）；（d）MoO3@MXenes和Ti3C2X MXenes的Ti 2p高分辨XPS图；（e）MoO3@MXenes和M350的Mo 3d高分辨XPS图；（f）MoO3@MXenes的C 1s高分辨XPS图

Fig.3 XRD patterns （a）， Raman spectra （b） and XPS （c） of MoO3@MXenes， Ti3C2X MXenes and M350；（d） high resolution XPS of Ti 2p of MoO3@MXenes and Ti3C2X MXenes；（e） high resolution XPS of Mo 3d of MoO3@MXenes and M350；（f） high resolution XPS of C 1s of MoO3@MXenes

图4 材料的电化学储锂性能。（a）0.1 A·g-1电流密度下M350、M450和M550的循环稳定性；0.2 mV·s-1扫速下MoO3@MXenes（b）和M350（c）的初始三圈CV曲线；MoO3@MXenes在0.2~1.2 mV·s-1扫速下的CV曲线（d）和b值（e）；0.2~1.2 mV·s-1扫速下的电容贡献（f）；M350在0.2~1.2 mV·s-1扫速下的CV曲线（g）和电容贡献（h）；（i）MoO3@MXenes和M350的阻抗曲线

Fig.4 Electrochemical lithium storage performance of material. （a） Cyclic stability of M350， M450 and M550 at current density of 0.1 A·g-1； initial three circle CV curves of MoO3@MXenes （b） and M350 （c） at scan rate of 0.2 mV·s-1； CV curves （d） and b value （e） at scan rates of 0.2~1.2 mV·s-1； capacitive contributions at scan rates of 0.2~1.2 mV·s-1 （f） of MoO3@MXenes； CV curves （g） and capacitive contribution （h） of M350 at scan rates of 0.2~1.2 mV·s-1；（i） impedance curves of MoO3@MXenes and M350

图5 MoO3@MXenes的电化学储锂性能。（a）充放电曲线；（b）GITT曲线；充电（c）和放电（d）时的Li+扩散系数；（e）倍率；0.1 A·g-1（f）和1.0 A·g-1（g）电流密度下的循环稳定性

Fig.5 Electrochemical lithium storage performance of MoO3@MXenes. （a） Charging and discharging curves；（b） GITT curves； Li+ diffusion coefficient during charging （c） and discharging （d）；（e） rate performance； cyclic stability at 0.1 A·g-1 （f） and 1.0 A·g-1 （g） current density

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赝电容型MoO₃@MXenes复合材料的增强储锂性能

Enhancing Lithium Storage Performance of Pseudocapacitive MoO₃@MXenes Composites

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