MXene基高能量密度二次电池材料的制备与性能研究
随着全球范围内环境和能源问题日益严峻，大力发展高能量密度、高安全、长寿命和低成本的多种二次电池对人类社会的发展至关重要。电极材料作为电池的重要组成部分之一，对电池的性能有重要影响，制备高能量密度和高安全的电极材料是未来二次电池发展的主要方向之一。但是，高能量密度电极材料在实际应用中存在着一些关键问题:(1)循环过程中大的体积变化导致活性物质的破碎粉化和电极结构的破坏，还导致固态电解质界面膜的不断破坏和重组，持续消耗电解液，导致容量的加速衰减、内阻增大和库伦效率降低，最终导致电化学性能失效;(2)电极材料低的本征电导率会导致差的倍率性能;(3)对于部分金属负极(锂、锌等)而言，不可控的枝晶生长严重影响电化学性能，并且可能会带来严重的安全隐患。为了解决这些问题，本文采用电沉积法、热处理法、真空抽滤等技术，设计并制备了一系列基于MXenes的高性能电极材料。 1.为解决硅负极体积膨胀大和电子导电率低的问题，引入高导电且柔性Ti3C2TxMXene，采用真空抽滤法制备了柔性自支撑Ti3C2TxMXene@Si电极，其作为锂离子电池负极时，在1000mAg-1的电流密度下循环200周后保持1672mAh·g-1的比容量，表现出比商业硅负极显著改善的储锂性能。性能提升机制的研究表明，该电极结构可以有效防止纳米硅的团聚和MXene的堆叠，增大与电解液的接触面积，改善电极的整体导电性，加速反应动力学，缓冲硅在循环过程中的体积膨胀，稳定固态电解质界面(SEI)膜。提供了一种有效改善硅负极的策略。 2.研究了金属锑、铋和锡在Ti3C2TxMXene自支撑膜上的电沉积行为，制备了不同形貌的MXene@金属复合材料，提供了一种制备柔性自支撑金属电极的新策略。MXene@锑膜作为钾离子电池负极材料，可以有效的缓解脱/嵌钾过程中锑的体积变化，加快离子/电子传输，在50mAg-1的电流密度下实现了516.8mAhg-1的比容量，在500mAg-1的倍率下实现了270mAhg-1的容量，表现出良好的储钾性能。 3.研究了金属锌在自支撑Ti3C2TxMXene膜上的电沉积行为，锌在Ti3C2TxMXene膜沉积形貌演变表明，Ti3C2TxMXene膜可缓冲沉积过程中体积膨胀和降低局部电流密度，诱导均匀的锌沉积，电化学性能研究表明其可实现高的电镀/剥离可逆性、稳定的循环性能和低的过电势。进一步地，采用电沉积法制备了柔性自支撑的三维MXene@Zn电极，该电极可以稳定的工作在水系锌金属电池和非水系锂金属电池中，MXene@Zn作为锂金属电池的集流体时，电化学性能和反应后形貌变化表明，得益于MXene@Zn电极的三维层状结构和亲锂晶核，其可缓冲沉积过程中体积膨胀和降低沉积时的局部电流密度，诱导均匀的锂沉积形貌，实现可逆的电镀/剥离、稳定的循环性能和低的过电势。为二次电池中金属锌/锂枝晶生长提供了一种通用的材料和有效的策略。 4.采用热处理法研究了V2CTXMXene在空气气氛中的热稳定性行为，系统探究了V2CTxMXene在不同加热温度和升温速率下的微观结构和形貌演变，揭示了热处理条件对样品的结晶度、微观结构和电化学性能的影响，制备了形貌可控的纳米多孔二维V2O5阵列，研究了其在凝胶锌离子电池和钾离子电池中的电化学性能及存储机制。当V2O5(V2CTx-350-0.1)用于凝胶锌离子电池的正极时，实现了优异的储锌性能，在0.2Ag-1循环400周后容量仍达358.7mAhg-1，在8Ag-1高倍率下实现了250.4mAhg-1的容量，在2Ag-1循环3500周后容量仍稳定在279mAhg-1，动力学定量分析揭示了V2O5的储锌改善机制。这项工作拓宽了MXene在能源存储中的应用，提供了一种制备V2O5材料的新途径，为高性能可充电电池正极结构设计提供了启示。 5.采用热处理法研究了Ti3C2TxMXene在CO2气氛中的热稳定性行为，研究了合成条件对产物微观结构和形貌的影响，制备了三维自支撑C/TiO2膜，研究了金属锂在C/TiO2膜上的生长行为。C/TiO2膜直接作为锂金属负极集流体时，在二氧化钛亲锂晶核和导电碳纸的三维结构的共同作用下，诱导了均匀的锂沉积，有效抑制了锂枝晶的生长。为设计无枝晶的锂金属电池和高效利用CO2气体提供了一种有效的策略，拓宽了MXenes在能源存储中的应用。
MXene;复合材料;二次电池;电沉积法;电化学性能
山东大学
博士
材料物理与化学
冯金奎
2021
中文
TM912;TB33
2021-08-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）