改性的Ti3C2基负极材料的制备与电化学性能研究

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本论文以锂离子电池为背景,选取MXene中最具代表性的Ti3C2材料作为研究对象,以提高该负极材料的电化学性能为目的,系统研究分子插层对Ti3C2材料电化学性能的影响。采用MoS2、Ag2S和CoMoO4 3种物质作为插层剂分别制备了MoS2/p-Ti3C2、Ag2S@MoS2/p-Ti3C2和CoMoO4/c-Ti3C2(p-Ti3C2和c-Ti3C2分别代指Ti3C2在高温下煅烧后被轻度和重度氧化而成的物质)3种复合材料,研究插层剂的种类和含量对Ti3C2负极材料电化学性能的影响。为了提高MoS2/p-Ti3C2复合材料的循环稳定性,本文分别以羧甲基纤维素、葡萄糖和十六烷基三甲基溴化铵为碳源制备3种碳包覆的MoS2/p-Ti3C2复合材料(碳的包覆量均为10 wt%),探究不同的碳源对MoS2/p-Ti3C2复合材料电化学性能的影响。实验结果表明,插层剂的引入显著增大了Ti3C2的层间距。MoS2插层使Ti3C2的层间距增大了0.2324 nm,Ag2S和MoS2共插层使Ti3C2的层间距由0.989 nm增大到1.234 nm。从扫描电子显微镜照片可以看出,MoS2、Ag2S和CoMoO4分子都均匀地生长在p-Ti3C2或c-Ti3C2的层间及表面,在界面间形成了紧密接触,有利于电子在材料内部传输。电池测试结果表明插层量为20%的MoS2/p-Ti3C2和CoMoO4/c-Ti3C2复合材料均展现出了最佳的电化学性能。其中20 wt%的MoS2/p-Ti3C2样品(T20)在50 mA g-1电流密度下的放电比容量达到656 mAh g-1,远高于Ti3C2的理论容量320 mAh g-1。将该样品在500 mA g-1下循环50圈可以保持稳定的循环性能。即使当电流密度高达3000 mA g-1时,T20样品的放电比容量仍能达到153 mAh g-1。分析阻抗图谱可知,T20样品具有最高的离子和电子转移速率。插层量为20%的CoMoO4/c-Ti3C2复合材料(M-2)在50 mA g-1电流密度下的放电比容量达到412.8 mAh g-1,明显高于插层前的Ti3C2负极材料的比容量(231.9 mAh g-1)。无论是在500 mA g-1电流密度下单独循环还是在各电流密度下分别循环,M-2样品均表现出优良的稳定性和最高的放电比容量。
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