【摘 要】
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低成本和较大规模的可再生能源存储对于人类生活和环境可持续发展均有着重要的意义。目前,锂离子电池(LIBs)是电动汽车和便携式电子设备供电的最常用储能设备。但随着经济的发展,LIBs已逐渐无法满足人们对电池高能量密度和安全性的要求。可充电镁离子电池(RMBs)具有许多优于LIBs的特点,如:Mg金属资源丰富、Mg离子半径较小(0.72?)以及理论体积容量高(~3833m Ah·cm-3)等。由于金属
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低成本和较大规模的可再生能源存储对于人类生活和环境可持续发展均有着重要的意义。目前,锂离子电池(LIBs)是电动汽车和便携式电子设备供电的最常用储能设备。但随着经济的发展,LIBs已逐渐无法满足人们对电池高能量密度和安全性的要求。可充电镁离子电池(RMBs)具有许多优于LIBs的特点,如:Mg金属资源丰富、Mg离子半径较小(0.72?)以及理论体积容量高(~3833m Ah·cm-3)等。由于金属镁负极在循环时不会产生枝晶,RMBs本质上比LIBs更加安全。在镁离子电池的结构组成中,正极材料是极为重要的一部分,开发新型高比容量的正极材料是RMBs研究的热点之一。二硫化钼(MoS2)是一种类石墨层状结构的过渡金属硫化物,因制备简单、成本经济、性质稳定等优点,MoS2在新能源领域有着广泛的应用前景。基于此,本论文拟以结构特殊且具有导电性的有机碳、h-MoO3或Ti3C2Tx与MoS2共组装,设计合成具有特殊结构的h-MoO3/MoS2/C、MoS2/MXene、以及MoS2/h-MoO3/MXene和MoS2/h-MoO3/SMXene复合材料,并研究材料用作镁离子正极材料时的电化学性能。具体如下:1、以导电性良好的h-MoO3为前驱体,对h-MoO3进行表面硫化,同时原位引入有机碳源,以期获得具有碳支撑结构的h-MoO3/MoS2/C复合材料。实验采取葡萄糖和蔗糖两种碳源,并将所获得的复合材料先用于锂离子电池负极材料,考察并比较碳源对材料性能的影响。然后将性能优异的材料用作RMBs正极材料。研究结果显示:以葡萄糖为碳源所得复合材料具有更为规整的球状形貌,储锂效果更为优异。该材料用于RMBs正极时,循环230圈后依然保留了53 m Ah·g-1的可逆比容量。2、以导电性优异且具有特殊层状结构的Ti3C2Tx为基底,通过HF刻蚀、水热反应等过程直接合成了MoS2/MXene复合材料,并将复合材料与纯MXene以及纯MoS2进行对比分析,研究材料的形貌、结构及电化学性能。结果表明,MoS2/MXene样品中MoS2纳米片均匀定向地生长在Ti3C2Tx层间。在MoS2的成核、生长过程中,由于Ti3C2Tx层状结构的导向作用,使得MoS2片层的生长受到空间上的限制、片层厚度减少,且垂直生长在Ti3C2Tx层间。MoS2/MXene的复合增大了MoS2材料的稳定性以及导电性,MoS2/MXene在用RMBs正极材料时,在50 m A·g-1电流密度下循环388圈后依然能够保持有244.9 m Ah·g-1的可逆比容量,高于Ti3C2Tx(2.0 m Ah·g-1)和纯MoS2(80.2 m Ah·g-1)。3、在前两章的基础上,进一步考虑在导电性h-MoO3合成过程中,引入多层MXene或少层SMXene,构建h-MoO3/MXene(或h-MoO3/SMXene)复合基质和前驱体,然后通过水热反应将复合基质进行表面硫化,最终获得MoS2/h-MoO3/MXene(或MoS2/h-MoO3/SMXene)复合材料。由于MXene(或SMXene)优良的导电性以及与h-MoO3协同,复合材料中MoS2纳米片生长更加均匀。复合材料在用作RMBs正极材料时,倍率性能优异,50 m A·g-1电流密度下具有301 m Ah·g-1的高可逆比容量。复合材料优良的电学性能可以归因于以下三点:首先,高度分散后的少层MoS2纳米片增加了电极材料和电解液之间的接触面积,产生了更多的Mg2+嵌入活性位点。第二,MoS2纳米薄片与MXene基体的紧密结合,形成了具有更高电荷迁移率的混合纳米结构。第三,SMXene、MXene以及h-MoO3具有更优良的导电性,提高了Mg2+的迁移速率。
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