论文部分内容阅读
锂金属由于其极高的理论比容量(3860 mAh g-1)、极低的电化学势（-3.040 V vs标准氢电极）以及较低的密度(0.534 g cm-3),被誉为锂电池负极的“圣杯”材料。开发以锂金属为负极材料的锂金属电池有望进一步提升锂电池的能量密度。然而,由于锂金属的高反应活性、体积膨胀,尤其是锂枝晶问题,严重阻碍了锂金属电池的实际应用。锂枝晶的存在一方面会刺穿隔膜,使电池发生短路;另一方面,会使活性锂不断损失,造成电池容量迅速衰减。因此,开发出一种无枝晶的锂金属负极迫在眉睫。MXene是一种具有类石墨烯结构的新型二维材料,其具有高导电性、良好的亲水性以及丰富的表面官能团等优势,作为电极材料在储能领域有着广泛应用。本文基于高导电性、富含表面官能团的二维Ti3C2 MXene,分别通过结构调控和表面性质调控,实现了抗堆叠的三维MXene的构筑。并从抑制锂枝晶生长的角度出发,将三维MXene作为亲锂骨架材料,实现了无枝晶的三维复合锂金属负极的构筑。论文内容如下:（1）以二维Ti3C2 MXene纳米片为前驱体,聚乙烯醇作为交联剂,利用MXene表面的官能团与聚乙烯醇中羟基之间形成的氢键作用制备了三维多孔MXene/聚乙烯醇气凝胶。其具有极低的密度、足够的机械强度,可直接作为自支撑电极,提升了电池的整体能量密度。通过调节Ti3C2 MXene表面的官能团含量,改善了MXene/聚乙烯醇气凝胶的亲锂性。通过电沉积方法制备的复合锂金属负极无锂枝晶形成,具有较高的库伦效率（>98%）,即使在10 mA cm-2的大电流密度下仍具有长达700 h的循环寿命。将其与硫/碳正极材料匹配组装锂硫电池,展现出了800 mAh g-1的比容量,可稳定循环300次。（2）以三维大孔泡沫铜作为模板,利用静电吸附作用,将Ti3C2 MXene纳米片均匀包覆在泡沫铜表面。之后,经氨气氛围煅烧,制备了三维氮掺杂Ti3C2 MXene。其三维多孔结构能够降低电极的局部电流密度,抑制锂枝晶形成;氮掺杂能够进一步改善Ti3C2 MXene的亲锂性。将其作为骨架材料,通过熔融锂方法制备的复合锂金属负极能够以16 mV的低电位稳定循环超过1800 h,并且在10 mA cm-2的大电流密度以及10 mAh cm-2的高面容量条件下仍然能够稳定循环。将其与磷酸铁锂正极材料匹配组装锂金属电池,表现出了140 mAh g-1的比容量,可稳定循环超过470次。