MXene衍生材料用于水系锌离子电池正极的研究

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钒氧化物材料具有比容量高的优势,因而被广泛用作水系锌离子电池正极。但是大部分钒氧化物的晶格通道较窄,多次循环后会遭遇严重的结构崩塌从而导致反应动力学较差。将金属离子或H2O分子预插入钒氧化物的V-O层间扩大晶格通道、稳定结构,可以提高反应动力学。MXene具有比表面积大反应活性位点多、无毒安全的特点,尤其是V2CTx-MXene中的V价态较低(+2、+3),可以通过水热氧化得到金属离子或H2O分子插层的钒氧化物。本文通过这一方法以V2CTx-MXene为前驱体制备出H2O分子插层的钒氧化物(H2V3O8)和Na+/H2O分子共插层的钒酸钠(Na2V6O16·3H2O),另外这两种材料还具有混合价态V4+/V5+,从而具有较高的电化学活性。通过对其反应原料组分调控,电化学性能测试以及电化学反应动力学分析等实验研究,其主要研究内容和结果如下:1.以V2CTx-MXene作为前驱体,H2O2为氧化剂,用水热法合成了H2O分子预插层的钒氧化物纳米棒(H2V3O8)。H2V3O8层状结构具有较大的层间距((200)面层间距为0.85nm),用作水系锌离子电池正极材料时,具有较好的容量(0.1A g-1时为292 m Ah g-1)、倍率性能(2 A g-1时为133 m Ah g-1)和循环稳定性(在2 A g-1时1000次循环下容量保持率为87.2%)。2.以V2CTx-MXene作为前驱体,辅以Na OH和H2O2,合成了Na+和H2O分子共插层的钒酸钠纳米棒(Na2V6O16·3H2O)。Na2V6O16·3H2O层状结构具有较大的层间距((100)面层间距为1.2nm),用作水系锌离子电池正极材料时,具有较好的容量(0.1 A g-1时为254.6 m Ah g-1)和倍率性能(2 A g-1时为177.8m Ah g-1)。此外,还研究了Na+在电解液的添加对此种正极材料稳定性的影响规律,结果表明Na+可有效抑制其溶解。1M Zn SO4+1M Na2SO4电解液体系中具有最高的容量保持率(在2 A g-1时1000次循环下容量保持率为89.2%)。
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