【摘 要】
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人们日益增长的物质需求与环境污染和能源短缺的问题相矛盾,目前可再生的清洁能源如风能、太阳能等也需要高效的储能装置。锂离子电池（LIBs）是目前能够商业化大规模应用的可循环使用的电池设备。在未来几十年将被普遍运用于各种电子移动设备和新能源汽车。然而稀缺的锂资源使人们将目光转移到钠离子电池（SIBs）研究上。由于离子半径等物理特性差异,传统正负极材料并不适用SIBs。二维层状MXene材料具有独特的物
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人们日益增长的物质需求与环境污染和能源短缺的问题相矛盾,目前可再生的清洁能源如风能、太阳能等也需要高效的储能装置。锂离子电池（LIBs）是目前能够商业化大规模应用的可循环使用的电池设备。在未来几十年将被普遍运用于各种电子移动设备和新能源汽车。然而稀缺的锂资源使人们将目光转移到钠离子电池（SIBs）研究上。由于离子半径等物理特性差异,传统正负极材料并不适用SIBs。二维层状MXene材料具有独特的物理和化学性能,其优良的导电性、超大层间距能够改善钠离子的传质动力学和循环稳定性。鉴于其类石墨烯结构,其高比表面容易在使用过程中造成重堆叠和团聚,致使活性位点的消失和容量快速下降。设计MXene基复合物则能发挥两者的协同效应,来达到高容量、高循环稳定性的电化学性能。本论文通过控制合成方法,修饰复合物表面来改善结构其稳定性,制备出了优异倍率性能、超强循环寿命、可逆比容量的钠离子电池负极材料。第一部分工作中,采用一锅水热法成功地合成了多级纳米/微米结构的MXene@ReS2@C复合材料。该2D/2D结构具有2D片状堆叠的形貌,大尺寸少层MXene能够为纳米ReS2提供大量生成位点,结构致密。所制备的材料表现出良好的电化学性能,在5.0 A g-1获得138 mAh g-1倍率性能和在2.0 A g-1下循环200次维持202 mAh g-1的循环性能。实验结果表明MXene能分散ReS2,实现多孔结构,增加了内部电荷传输。ReS2也能防止少层MXene使用过程的重堆叠,碳包覆则进一步提升ReS2表面的电荷传输,同时抑制材料的体积膨胀。该结构的界面协同效果能够同步实现倍率性能、循环特性、可逆容量的提升。在第二部分工作中,利用湿化学法在MXene表面生长片状ZIF-67作为前驱体,经过退火和原位磷化等步骤制备出MXene@CoP@NC复合物。该材料在第一部分工作的基础上,对材料的循环性能进一步改性。长时间低温退火能够生成纳米CoP颗粒和纳米碳包覆的效果,MXene作为基底能分散CoP颗粒的团聚现象,纳米碳层还有效限制了其体积膨胀,多孔碳更为Na+离子的传输提供定向通道,缩短离子传递距离。大电流密度(1.0 A g-1)充放电1000圈,仍达到153 mAh g-1可逆比容量,每圈仅有0.02%的衰减。在第三部分工作中,通过结合第一章的2D/2D复合机构和第二章的碳包覆,合成了MXene/ZIF-67十二面体作为前驱物,利用离子交换和原位硫化的方法,制备了MXene@Co9S8/CoMo2S4复合物结构。硫粉在硫化过程能够增加纳米孔,增加了反应活性位点,增加可逆充放电比容量,在0.1、0.2、0.5、1.0、2.0和5.0 A g-1的电流密度下的放电容量为325、309、284、256、226和172 mAh g-1,1.0 A g-1循环350圈后保持196mAh g-1放电容量。
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