柔性MXenes基电极材料的制备及电化学性能研究
电化学储能是指利用化学元素做储能介质，在充放电过程伴随储能介质的化学反应或者变价从而达到储能的目的。目前，电化学储能装置主要包括铅酸电池、液流电池、钠硫电池、离子电池（锂离子电池、钠离子电池等）、超级电容器等。目前主要以离子电池和超级电容器为主。此外，随着科学技术的发展，柔性可穿戴设备逐渐走进生活，例如，柔性折叠手机和可穿戴衣物等。在这种柔性可穿戴设备中，柔性电池是其中一个重要的组成部分。目前，在商业化电池或柔性电池中，电极材料往往是将活性物质涂覆在集流体上，在这种状况下，电极的柔性特性是借助于集流体产生的。虽然电极具有柔性，但是在反复弯曲的过程中往往会导致活性物质从集流体上脱落，因此，开发柔性自支撑电极材料至关重要。同时，在保持电极材料具备柔性的同时还需要保持较高的能量密度和功率密度。 本论文以MXenes材料中研究最广泛的Ti3C2Tx为主要研究对象，首先我们探究了制备不同柔性MXenes基复合电极材料的方法，并研究了他们的电化学性能，取得研究成果如下： 首先，我们通过静电纺丝技术制备了一种柔性、无粘合剂、自支撑的薄膜材料，后期通过预氧化，碳化流程得到了最终产物Ti3C2Tx-Si@CNF柔性自支撑薄膜。其中，导电碳纳米纤维提供了一个开放的三维网络，有效地减缓了硅纳米颗粒在锂化/去锂化过程中的体积膨胀。同时，MXene的加入有效提高了复合材料电子电导率。这种复合网络结构有利于提升电极材料的倍率性能。 随后，又通过真空辅助过滤的方法，成功地制备了柔性自支撑FeVO4/Ti3C2Tx薄膜。在FeVO4和Ti3C2Tx的协同作用下，FVO/MX复合薄膜表现出优异的电化学性能。FVO/MX复合薄膜独特的“三明治”结构可以有效抑制Li+/Na+电池动力学反应过程中的体积膨胀问题。同时，FVO/MX复合电极在钠离子电池中也表现出良好的倍率性能以及电化学稳定性。 其次，我们介绍了一种简单的方法来控制Ti3C2TxMXene的表面形貌和化学性质，并通过金属离子诱导成功制备出多孔柔性电极材料。发现了二价金属离子在MXenes表面的造孔效应和扩层效果。MXene-M柔性电极材料不仅具有较大的层间距，同时在层上形成了介孔结构。通过原位XRD测试，我们验证了MXene-M电极的插层赝电容储能机制。其中，Ti3C2Tx-Mn电极表现出优异电化学性能，在100A/g电流密度下，循环10万次后质量比电容仍能达到248F/g。此外，它还具有高达52.4mWh/cm3的体积能量密度和55.3W/cm3的体积功率密度。此外Ti3C2Tx-Mn基固态超级电容器具有优异的抗低温特性和低温倍率性能。与此同时，Ti3C2Tx-Mn基超级电容器还具有高的低温面能量密度以及低温循环稳定性，在-50℃时面能量密度为807mF/cm2，-60℃时面能量密度为658mF/cm2。 最后，我们采用原位高温氧化方法制备了Mo2C/MoO3异质结构。我们通过原位高温XRD技术确定了Mo2CTx在空气氛围中的热稳定性，并通过原位氧化法制备了不同比例的Mo2C/MoO3异质结构，其在水系和全固态体系下具有优异的电化学性能。在水系电解液中，其比容量高达811F/g。Mo20//Mo20固态电容器在功率密度为243W/kg时的最大能量密度为25Wh/kg。在功率密度为4320W/kg的情况下，能量密度仍然可以达到6Wh/kg。此外，Mo2C/MoO3电极还具有良好低温耐受性(-60℃)。 综上，本论文的相关研究工作围绕柔性MXenes基电极材料的设计展开，探索了不同MXenes基电极材料的制备方法，研究了电极材料的电化性能，柔性以及抗低温特性，为柔性MXenes基材料的设计和应用提供了理论和实验基础。
柔性MXenes;电极材料;电化学性能;静电纺丝技术
吉林大学
博士
凝聚态物理
高宇
2023
中文
TM242
2023-08-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）