过渡金属磷(硒)化物异质界面设计及储钠/钾性能研究

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由于钠元素和钾元素在自然界储量丰富,钠离子电池和钾离子电池成为潜在的分担锂离子电池储能压力的可充电二次离子电池。作为影响整个电池系统性能的关键因素,钠离子电池和钾离子电池负极材料被广泛研究。过渡金属磷(硒)化物由于其低成本和多电子反应存储机制带来的高理论容量成为钠离子电池和钾离子电池负极材料的研究热点。然而Na+和K+大的离子半径给储钠/钾过程中的离子动力学和结构稳定性带来很大的挑战。本文在分析国内外过渡金属磷(硒)化物电极材料性能优化策略的基础上,以提升过渡金属磷(硒)化物电极材料储钠/钾反应动力学和循环寿命为目的,通过从内在原子水平的异质界面设计,辅以外在的形貌设计和复合一维纳米材料等其它优化策略提升过渡金属磷(硒)化物电极材料的储钠/钾性能。同时利用结构表征、性能测试和理论计算等手段确认电子(相)结构改变对储钠/钾性能及机理的影响,为未来设计新型电极材料提供了理论依据和实验基础。以Ni-MOF为前驱体,将Ni P2纳米颗粒封装在多壳层空心氮掺杂碳微球中形成具有Ni P2/C异质界面(Ni P2@MHNC)的电极。以此为基础设计了三组对照样品,即Ni P2、Ni P2@C、Ni P2@NC样品。以此四种电极为研究对象,系统地考察了异质界面、N掺杂以及多壳层中空结构对Ni P2电极储钠/钾性能的影响情况。通过对比不同电极的储钠/钾循环性能和反应动力学差异,表明Ni P2/C异质界面对储钠/钾循环性能和反应动力学的提升起决定作用,揭示了N掺杂和多壳层中空结构对于储钠/钾性能提升同样具有重要的贡献。多因素协同提升了Ni P2@MHNC电极储钠/钾的性能(在0.1 A g-1的电流密度下循环300周后,其储钠容量保持率为80%;在0.1 A g-1电流密度下循环200周后,其储钾容量保持率为82%)。基于上述异质界面设计对电极储钠/钾性能的有效提升,提出构筑具有晶格适配优势的同质结-相结,实现从电极材料自身优化的目的。针对各向异性半导体1T’相Re Se2电极体系,目前尚未有通过相结构或相界面调控策略优化其储钠/钾性能的报道。这不仅限制了对这一电极体系相界面调控的深入认识,还阻碍了利用相结构调控策略开发更高效储钠/钾电极的研究。因此利用液氨锂化的相工程策略,构筑了一种新型相结1T/T’Re Se2电极。结构表征和性能测试表明:块体样品剥离后层间范德华力被破坏,其钠离子和钾离子扩散阻力降低;高导电性1T相的引入和相界面的构筑加速了电子和离子迁移;电极循环后具有导电优势和循环可逆性优势的相结1T/T’Re Se2重建,保证了其循环稳定性和倍率性能的提升。1T/T’Re Se2电极在大倍率性能下的储钠性能和循环寿命的提升更为显著:在5和20 A g-1电流密度下循环1200周后的储钠可逆比容量分别为237和123 m A h g-1。1T/T’Re Se2电极在0.1 A g-1电流密度下循环100周后的储钾容量保持率为49%。在对相结有效提升Re Se2电极储钠/钾性能深入理解的基础上,进一步针对典型的具有多相结构的Co Se2电极进行相结构调控和相界面设计。为此,采用化学气相沉积法通过调控硒粉和前驱体ZIF-67的质量比(x:1)制备了系列Co Se2-x:1电极。储钠/钾性能测试结果表明具有相结的立方相/正交相-Co Se2-10:1(c/o-Co Se2)电极在循环稳定性和反应动力学方面显示出明显的优越性。进一步将其与Si C纳米线复合形成糖葫芦状c/o-Co Se2@Si C电极。实验和理论计算结果表明,相界面处的电子耦合效应和电荷重新分配提升了Co Se2在储钠/钾过程中的稳定性并加速了Na+/K+和电子的转移,以及Si C纳米线在固定活性物质、提高循环稳定性和为电子提供快速传输路径方面发挥着重要作用。得益于上述优点,c/o-Co Se2@Si C电极展示出优异的储钠性能(在1.0 A g-1电流密度下循环1000周后容量保持率为82%)和储钾性能(在0.1 A g-1循环100周后,其容量保持率为90%)。此外利用原位Raman、原位XRD和HRTEM揭示了c/o-Co Se2@Si C电极插层-转换的储钠机理和相结的稳定重建。
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