二维Ti3C2基复合材料的制备、表征与电化学储能研究

来源 :安徽工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:sd2009shandong
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锂离子电池作为二次电池中的一类,能够很好的满足社会发展对于储能器件的性能要求,逐渐成为了二次电池大家族中最具潜力的一个发展对象,金属锂的成本高并且储量有限,因此兼具优异储能性质及良好的环境相容性的钠离子电池就开始步入储能领域研究人员的视线范围,有望成为下一代替代锂离子电池的新兴储能电池。负极材料作为锂/钠离子电池的重要组成部分之一,其性能的好坏一直是制约其自身发展的重要因素。在众多的负极材料中,过渡族金属碳氮化物(MXenes)因其独特的二维结构于优异的综合性能以及种类多样性脱颖而出成为研究热门,是最有希望取代传统商业化石墨负极材料的候选人之一。同时在锂离子电池与钠离子电池中都展现出极具潜力的储能性质。本文通过对Ti3C2电极材料的结构优化设计,以其为基底合成高性能的锂(钠)离子电池负极材料,并以此探索了对过渡族金属碳氮化物(MXenes)改性的研究。具体研究内容如下:(1)通过对Ti3C2TX自Ti3AlC2相剥离过程原理的探究设计了不同的温度与时间条件来进行对Ti3AlC2原材料的剥离,并且通过对最终产物的形貌结构进行对比来确定最佳的刻蚀条件。并使用刻蚀得到的Ti3C2TX材料经过一步水合反应,制备出在手风琴状Ti3C2TX材料基底上均匀生长尺寸约为30 nm的锐钛矿TiO2小颗粒的TiO2/Ti3C2复合材料。水热过程扩张了Ti3C2TX材料的层间距、减少了其表面附着的各类官能团,加上分散均匀的TiO2小颗粒共同改善了原材料的微观结构,更加有利于电化学反应过程的进行。电化学储锂测试结果表明,TiO2/Ti3C2在200 mA g-1的电流密度下循环500圈之后的可逆比容量达到267 m Ah g-1(Ti3C2TX材料为203 mAh g-1),并且表现出比Ti3C2TX材料更加优异的循环稳定性。(2)使用Ti3C2TX材料作为原材料经过简单溶剂热反应过程,诱导在扩张的层状Ti3C2纳米片上生长结晶度较高的NaTi2(PO43相,最终生成了NaTi2(PO43/Ti3C2复合材料。并且使用不同成分比例的对照样品组装钠离子扣式电池进行测试,通过对电化学结果进行分析,得到了储钠性能最佳的复合材料。在合适的比例下,NaTi2(PO43相提供了较高的储钠容量,同时借助了Ti3C2TX基底材料优良的稳定性改善其本身稳定性差的问题,加上Ti3C2TX材料在合成过程中的良性变化,最终形成了结构更合理、性能更优异的钠离子电极材料。电化学性能测试的结果显示,NaTi2(PO43/Ti3C2复合材料的可逆比容量,电化学稳定性以及导电性等都有了一定程度的提升,同时表现出了优异的倍率性能,在200 mA g-1的电流密度下循环500圈之后的可逆比容量达到121 mAh g-1,相比原Ti3C2TX材料的79 mAh g-1有了约50%的比容量提升,同时在达到2000 mA g-1的电流密度循环2000圈之后仍能保持十分稳定的循环性能,展现了其优异的储钠性能。(3)以TiO2/Ti3C2复合材料为基底,与高浓度NaOH溶液水热碱化反应生成均匀包覆在原层状上的Na2Ti3O7,得到Na2Ti3O7/Ti3C2复合材料。在TiO2/Ti3C2复合材料结构优化的基础上,碱化作用进一步改善了其结构,增强了反应动力学活性,更加有利于钠离子电池工作反应的进行。储钠测试结果表明Na2Ti3O7/Ti3C2复合材料具有优异的储钠性能,在200 mA g-1的电流密度下循环500圈之后的可逆比容量达到118mAh g-1(Ti3C2TX材料为75 mAh g-1,TiO2/Ti3C2复合材料为101 mAh g-1),得到大幅度的比容量提升,并且具有十分优异的倍率性能,同时在大电流长循环条件下(2000mA g-1,1900圈)也同样展现了其优异的储钠性能(73 mAh g-1)。
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