氮掺杂Ti3C2Tx MXene在锂硫电池和水系锌离子电池中的应用
化石能源的大规模燃烧造成的能源枯竭问题和环境污染问题十分严重，人们将能源发展的重心转向了清洁能源如太阳能、风能和核能等。二次电池作为不可或缺的能量储存装置能够高效地利用清洁能源。由于当前的锂离子电池的能量密度不能满足人们的需求，各种其他体系电池如锂硫电池、锂空气电池和锌离子电池等逐渐被开发利用。为了制作电池中的各种结构，许多无机有机材料被应用于该领域中以实现电池的高能量密度。MXene材料因其优异的二维表面、导电性和可调表面结构等特性被广泛地应用在各个领域中。这些优势也为其应用在离子电池中提供了可能性。为了解决二次电池中出现的循环性能差、氧化还原动力学较慢等问题，本文设计并制备了氮掺杂的MXene材料并将其应用到锂硫电池和水系锌离子电池中。 首先，采用刮刀涂覆的方式引入高导电的氮掺杂的MXene材料作为隔膜涂层，解决锂硫电池中的穿梭效应和低电子导电率的问题，通过系统的研究，阐明了其在吸附和催化多硫化物中的能力，揭示了其微观结构与电化学性能的联系。组装的具有氮掺杂MXene涂层隔膜的电池在0.1C的倍率下表现出了1336.8mAhg-1的放电比容量与更低的电压滞后。同时，在1.0C高倍率下可以达到1012.0mAhg-1的初始比容量并且稳定循环500圈。在使用高硫负载7.06mgcm-2的条件下，组装的电池仍可以获得579.8mAhg-1的放电比容量，并在150圈循环内得到70.06%的容量保持率。 其次，采用了氮掺杂的MXene（NMX）人工界面层旋涂在锌负极表面保护锌负极，从而解决锌离子电池中严重的枝晶、副反应问题和动力学缓慢的问题。NMX的高导电性可以均匀锌负极表面电场中的电荷。并且通过理论计算发现，经氮掺杂后的MXene与锌的吸附作用比未经掺杂的MXene材料的吸附作用更强。同时，锌离子在负极表面的去溶剂化能力也有所增强。因此，NMX人工层可以诱导锌的均匀沉积、抑制副反应和加速锌离子的迁移。使用NMX@Zn组装的对称电池在1mAhcm-2的沉积容量和1mAcm-2的电流密度下表现出1900小时的长循环性能并且具有较低的电压滞后。组装的半电池NMX@Ti||Zn在5mAcm-2的电流密度下稳定循环4800圈，并达到99.79%的平均库伦效率。与MnO2正极进行匹配的全电池在1Ag-1的电流密度下能够稳定循环1000圈，并达到80.1%的容量保持率。 综上，本文以氮掺杂的MXene材料优异的物理化学性质为出发点，为锂硫电池和锌离子电池分别设计了隔膜涂层和负极保护层，提升了两种电池的电化学性能。通过多种实验和理论计算方法总结了NMX在两种电池中发挥的作用以及其作用机制，为MXene基材料的应用打开了一种新的思路和方式。
锌离子电池;锂硫电池;MXene;金属锌负极;隔膜
吉林大学
硕士
凝聚态物理
魏英进
2023
中文
TM912
2023-08-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）