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迈科烯是一类新型过渡金属碳/氮化物二维层状导电材料,已在储能器件如锂离子电池领域表现出光明的前景。在充放电过程中,锂离子在迈科烯的层片间嵌入/脱出的层间储锂特征已被证实。然而,对于这类新型层状材料的储锂机制的认识尚不完善。比如,具体的锂离子嵌入/脱出过程是怎样的?哪些关键因素影响其储锂性能?此前的研究主要致力于迈科烯储锂性能的提高,对迈科烯储锂机制的认识不深入,阻碍了迈科烯作为新型锂离子电池负极材料的实用化进程。本论文以迈科烯为研究对象,从储锂机制研究出发,旨在揭示影响其储锂性能的关键因素,从而为高性能迈科烯的制备指明方向。主要研究内容和结论如下:(1)通过在可控气氛中热处理来修饰迈科烯的表面和层间界面,用比较研究的方法系统地研究修饰前后迈科烯的表面化学、结构和电化学行为特征,进而建立它们之间的本征关联,阐明了迈科烯的储锂机制。结果表明,在不同气氛中热处理后,Ti3C2 Tx迈科烯的表面化学和结构改变明显,这些改变显著地影响储锂行为。与表面官能团键合的外层过渡金属在特征电位发生氧化还原反应,表明Ti3C2Tx迈科烯主要依靠终端Ti储存电荷。氨化后样品的层间距变得大而均一,对应循环伏安曲线上的一对氧化还原峰,而原始样品有两种层间距且氧化还原峰有两对,表明锂离子在脱嵌过程中存在顺序行为。在整个充放电过程中,对应迈科烯层片间距的XRD衍射峰几乎没有偏移,表现出“零应变”特征。(2)在储锂机制认识的基础上,利用NH4VO3作为V源制备出了 V填补Ti空位及表面改性的Ti3C2 Tx迈科烯。N、V的引入有利因素包括:增加了-O官能团的含量;Ti3C2Tx迈科烯的层间距变得大且均一,这可能由于进入到层间的N元素起到了柱撑作用,同时也提高了终端Ti的变价能力。V的引入不仅修饰了表面官能团,而且也填补了 Ti空位,V具有比Ti更强的变价能力,Ti空位的填补有效地提高了迈科烯的储锂能力。N、V的协同作用提高了 Ti3C2Tx迈科烯的倍率性能和循环稳定性。(3)在储锂机制认识的基础上,利用两步N、S共掺杂方法提高迈科烯的储锂能力。首先让N原子进入迈科烯层间起到柱撑作用,为锂离子嵌入提供物理空间;然后将S原子引入,与Ti3C2Tx迈科烯层片的外层Ti键合,形成有利于锂离子输运的C-Ti-S键。N、S杂原子共掺杂的综合效应显著提高了Ti3C2Tx迈科烯的倍率性能和循环稳定性。如NS0.3-Ti3C2Tx迈科烯在3C倍率下循环1000圈容量保持率在89%;与正极材料LiFe0.5Mn0.5PO4/C组成全电池,在1C倍率下循环200圈后仍有199.3 mAh g-1的容量。(4)在借鉴Ti3C2Tx迈科烯储锂机制认识的基础上,通过光谱、电化学、理论计算等手段系统研究了 Nb2CTx迈科烯的表面化学、结构和电化学行为,进而建立它们之间的本征关联,阐明了 Nb2CTx迈科烯的高容量根源及储锂机制。通过实验及理论分析证实Nb2CTx迈科烯-O官能团含量占优,有利于锂离子的输运。并且证实Nb2CTx迈科烯可以吸附多层储锂,这也是其容量高的原因。在整个充放电过程中,对应迈科烯层片间距的XRD衍射峰几乎不偏移,表现出优异的结构稳定性和可逆性,是一种优异的“零应变”材料,这与迈科烯层间耦合作用强的本征特性有关。以LiFePO4/C为正极组成的全电池在1C高倍率下循环200圈后,仍然保持着120.2 mAh g-1的高容量。