【摘 要】
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人类科学和工业日益增长的能源需求亟需高效、清洁的能源储存系统与转换装置。目前,锂离子电池因其高能量/功率密度、长循环寿命以及低自放电成为主流的能量存储系统。然而,随着社会发展,传统的石墨材料较低的理论比容量难以满足人们对高性能电池的要求,所以锂离子电池技术正面临着实现更高能量密度与功率输出的挑战。新型的二维材料MXene具有近似金属的能带结构,具有优异的导电性。但MXene的片层容易堆叠,影响了锂
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人类科学和工业日益增长的能源需求亟需高效、清洁的能源储存系统与转换装置。目前,锂离子电池因其高能量/功率密度、长循环寿命以及低自放电成为主流的能量存储系统。然而,随着社会发展,传统的石墨材料较低的理论比容量难以满足人们对高性能电池的要求,所以锂离子电池技术正面临着实现更高能量密度与功率输出的挑战。新型的二维材料MXene具有近似金属的能带结构,具有优异的导电性。但MXene的片层容易堆叠,影响了锂离子电池电化学性能的提升。针对上述问题,本文在MXene层间以及片层表面上分别引入椰壳炭、Ni-MOF材料,通过溶液搅拌、共沉淀、高温热解等方法,构筑了MXene/椰壳炭、MOF@MXene复合材料,探讨了复合材料的微观结构以及电化学性能,主要研究内容如下:首先以椰壳为前驱体,采用高温热解法和活化法制备了椰壳活性炭负极材料。考察了活化处理对其结构、形貌以及电化学性能的影响。结果表明:经活化处理的椰壳炭无序化程度高,富含微孔、介孔多孔结构,在0.1 A·g-1下的首次放电比容量达到918.2 mAh·g-1,在1 A·g-1下循环200次后仍有447mAh·g-1。通过HCl与Li F反应置换出HF对Ti3Al C2进行刻蚀剥离得到层状的Ti3C2Tx,探讨了在不同的反应温度及反应时间下材料的形貌、结构以及电化学性能。结果表明:随着刻蚀温度与反应时间的增加,材料被氢氟酸过度刻蚀,颗粒细化严重。通过电化学性能测试,在30℃下反应24 h所得的多层Ti3C2,具有手风琴结构,在0.1 A·g-1电流密度下,首次放电比容量达1230 mAh·g-1。通过在去离子水溶液中将MXene与椰壳炭搅拌复合,探讨了不同比例的复合材料结构、形貌以及电化学性能的影响。结果表明,椰壳炭颗粒的进入,附着在MXene片层上,片层中间穿插着部分椰壳炭颗粒,有利于锂离子的传输。通过电化学性能测试,复合比例为1:2的样品具有最佳的电化学性能,在0.1 A·g-1下的首次放电比容量高达1951.7 mAh·g-1,在1 A·g-1下循环200次后仍有800.8 mAh·g-1。最后,以二维MXene纳米片为基底,通过共沉淀法将Ni-MOF生长在MXene纳米片表面,随后在氩气氛围下进行高温热处理,探讨了不同温度的Ni-MOF@MXene复合材料结构、形貌以及电化学性能的影响。结果表明:以二维MXene为基底,引入Ni-MOF提高了材料的比表面积和孔径分布。电化学测试表明,复合材料Ni-MOF@MXene-500℃具有最优的电化学性能,在0.1 A·g-1下,经过200次循环后,放电比容量高达591.6 mAh·g-1,在5 A·g-1下,循环500次后,放电比容量仍然有497 mAh·g-1。
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