论文部分内容阅读
钠离子电池(SIB)由于钠自然储量高、分布广泛和成本低等优点而备受瞩目,因而也被认为是一种很有发展前景的储能系统。影响钠离子电池商业化进程的关键是对负极材料的研究不够充足,但钠离子较大的半径使其在嵌入/脱出过程中会对电极材料的内部结构造成严重破坏,进而导致可逆容量的容量保持率迅速下降。因此,寻求合适的活性电极材料显得尤为重要。典型的层状过渡金属硫属化物材料,特别是层状二硫化钼(MoS2)纳米复合材料,由于具有较大的理论比容量和层间距而备受关注,被认为是钠离子电池理想的负极材料。基于以上问题,本论文以MoS2为主体,制备出了二维IL-MoS2/rGO和MoS2/N-Ti3C2纳米复合材料,并对其物理、化学以及电化学特性进行了深入分析。此外,还对吡咯基二维有机负极材料进行了探索,具体研究内容和结果如下所述:(一)离子液体诱导的层层自组装构建强结合的MoS2/rGO纳米复合材料用于增强钠存储的研究MoS2在电化学充放电过程中往往会出现体积膨胀和严重堆叠的问题,从而导致容循环寿命缩短和容量下降。为了解决这些问题,我们提出了一种离子液体诱导层层自组装方法来合成二维MoS2/rGO纳米复合材料。作为钠离子电池的负极材料,制备的IL-MoS2/rGO纳米复合材料显示出卓越的倍率能力(在6.4 A g-1电流密度下保持364.3 mA h g-1的容量,在12.8 A g-1的高电流密度下仍表现出309.2 mA h g-1的高容量)和良好的长循环寿命(在3 A g-1电流密度下循环300圈后容量为263.2 mA h g-1)。优异的性能归因于离子液体、MoS2、rGO之间的协同效应导致的紧密结合的二维片状结构。离子液体的存在稳定了GO的结构并抑制了MoS2的严重堆叠。同时,离子液体扩大了MoS2的层间距(由0.62 nm增大到0.66 nm),更有利于钠离子的脱嵌。石墨烯作为碳基质可以改善复合材料的电导率,适应较大的体积变化并增强反应动力学。(二)氮掺杂的二维MoS2/N-Ti3C2纳米复合材料用于可增强钠存储的研究MXene作为一种新型的二维材料,因其独特的片状结构、优异的电子和化学特性而被应用于钠离子电池负极复合材料。通过静电相互作用可以促进MXene与其它带正电的材料的混合,并防止MXene层间的堆叠,从而形成稳定的分散体。在本章实验中,以多巴胺和尿素为氮源,以水为溶剂制备了MoS2纳米片和氮掺杂的碳化钛耦合的二维层状纳米复合材料(MoS2/N-Ti3C2)。制备的MoS2/N-Ti3C2二维层状材料具有优异的电化学性能:在10 A g-1的高电流密度下仍保持119.4 mA h g-1的可逆容量;材料在0.1 A g-1的电流密度的条件下经过100圈的循环后,MoS2/N-Ti3C2负极仍能保持255.9 mA h g-1的可逆容量,显示出良好的循环稳定性。优异的储钠性能得益于氮原子掺杂,均匀N掺杂的碳化钛具有大量的活性位点,可以增强电化学性能。(三)吡咯基二维有机负极材料在钠离子电池中的应用探索聚吡咯由于其具有成本低,优异的电导性,良好的氧化还原可逆性,合成简单,绿色安全等优点而受到广泛关注。在本章实验中,我们以吡咯为原料通过一种温和的取代吡咯磺酰胺脱保护方法来合成二维的3,4-二溴吡咯材料,并将3,4位聚合吡咯作为钠离子电池负极进行探究。但在高温高压的实验条件下,我们在3,4-二溴吡咯聚合过程中只得到了脱溴后的吡咯,并没有得到我们所需要的3,4位聚合吡咯,因此没有对其进行形貌及电化学表征。