| MXene和纳米碳材料的结构调控及其存储碱金属离子特性研究 | |
| Alternative Title | 无 |
杨兵军
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| Thesis Advisor | 阎兴斌,唐瑜 |
| 2021-05-18 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 工学博士 |
| Degree Discipline | 材料学 |
| Keyword | MXene,碳纳米材料,结构调控,锂金属负极,金属离子混合电容器MXene, Carbon nanomaterials, Structural regulation, Lithium metal anode, Metal ion hybrid capacitor |
| Abstract | 随着清洁能源技术、智能电网、电动汽车、5G、AI终端等高新技术的迅猛发展，迫切需要与其配套的高性能的储能设备。发展高性能储能技术离不开其核心电极材料的发展，“成分-结构-性能”是材料科学中最核心的三角关系，高性能的电极材料与其成分和结构密切相关。鉴于MXene材料和纳米碳材料优异的电化学物理化学性能，本论文选择MXene材料和纳米碳材料作为器件的核心电极材料，通过结构调控和复合，进而提升电极材料综合性能最终实现高性能碱金属离子电化学储能器件的构筑。 能量密度、功率密度和循环寿命是电化学储能器件的三个核心参数，随着科技的发展，人们为了追求储能器件更高的电化学综合性能，尝试将不同储能机制的正负极材料进行交叉，结合各自的优势衍生了更多类型的非对称储能器件。例如：以锂金属直接作为负极的高能量密度电池（锂金属电池、锂硫电池、锂氧电池等），以及将二次电池负极和电容器活性炭正极“内部交叉”的金属离子混合电容器。通过结合两类储能机制的优势，预期会有更佳的综合性能。然而不可忽略的是在构筑非对称储能器件时，不同类型储能机制带来的动力学和匹配性差异会严重影响器件的性能。因此对电极材料的选择和结构设计提出了新的挑战。在本论文研究中，我们将通过对MXene和纳米碳材料的结构设计优化实现高性能锂金属电池以及金属离子混合电容器非对称储能器件的构筑。具体内容如下： （一）锂金属负极材料是锂基动力电池的终极选择，但是锂金属负极直接使用存在很多弊端，包括枝晶、体积膨胀和电解液消耗等问题。通过构筑3D骨架“Host”可以实现锂的均匀沉积/剥离，缓解过程中的体积膨胀。第二章中我们通过表面活性剂添加共冻干技术实现了超薄弯曲分散的MXene（C-MXene）材料的制备，进一步利用刮涂技术实现了3D C-MXene“Host”的构筑，基于此“Host”构筑的锂金属负极表现出在高库伦效率下的长循环稳定性和高的倍率特性。10 mA cm-2高电流密度下1.0 mA h cm-2沉积容量下可持续200小时以上；3.0 mA cm-2电流密度下3.0 mA h cm-2大容量沉积350小时无明显短路迹象；同时与磷酸铁锂组装的全电池也表现优异的倍率特性。 （二）锂离子混合电容器兼具高功率密度和高能量密度。构筑锂离子混合电容器最大的问题之一是电池型负极相对缓慢的Li+嵌入/脱出和电容正极快速的离子吸附/脱附行为的动力学不匹配问题。在第三章中，针对MXene材料作为锂离子电池负极材料面临的重堆积严重、自身比容量较低的问题。通过简单的凝胶自组装和化学气相沉积（CVD）工艺结合，制备了三维MXene-碳纳米管（3D MXene-CNT）复合电极。受益于3D MXene内部原位生成的CNT，所制备的3D MXene-CNT电极在0.1 A g-1时表现出594 mA h g-1的高可逆容量和5.0 A g-1时162 mAh g-1的优异倍率性能。基于此，我们以3D MXene-CNT为电池型负极，高比表面积的3D氮掺杂网络活性炭（3DNFAC）为电容型正极组装了锂离子混合电容器。该器件在功率密度为210 W kg-1时展示出201 Wh kg-1的高能量密度，即使在21000 W kg-1的高功率密度下，仍表现出92 Wh kg-1的能量密度，并且在2.0 A g-1电流密度条件下，经过3500次循环后，容量保持率达到84.7%。因此，该工作为设计具有优异锂离子存储特性的高性能MXene-CNT复合负极材料提供了可行的设计策略。 （三）在第四章中，我们提出了一种高效的策略，通过简单的冷冻干燥工艺结合退火处理工艺，制备了一维（1D）石墨烯纳米卷包裹MnO纳米颗粒（GNS@MnO）材料。GNS的拓扑端开口结构和石墨烯层的包裹有利于Li+的快速扩散和电子转移。作为锂离子电池的负极材料，GNS@MnO-600电极在锂离子存储方面性能突出，即使在5.0 A g-1电流密度下，仍具有437 mA h g-1的高比容量。基于GNS@MnO-600负极和高比表面积的3DNFAC构建的锂离子混合电容器在235 W kg-1功率密度下提供了197 Wh kg-1的高能量密度。即使在23.5 kW kg-1的高功率密度下，仍能保持114 Wh kg-1的高能量密度，以及较长的循环寿命（3000次循环后容量保持率为84.8%）。 （四）钠/钾离子混合电容器具有能量/功率密度高、资源丰富、成本低等特点，可作为大规模储能器件的备选。在第五章中，我们报道了一种基于单一前驱体-乙二胺四乙酸四钠（EDTA-4Na）衍生的两种碳电极材料构筑的高性能双碳钾离子混合电容器。通过简单的煅烧，EDTA-4Na可以直接转化为3D氮掺杂网络碳(3DNFC)，用于钾离子存储表现出高可逆容量和良好的电化学动力学性能。通过活化，3DNFC可以进一步转化为3DNFAC，表现出超高的比表面积（3839 m2 g-1）和优良的电容性能。以3D氮掺杂网络碳（3DNFC）为电池型负极，3DNFAC为电容型正极构筑的双碳钾离子混电容器，能够在0-4.2V电压下正常工作，提供高能量和功率密度（在210 W kg-1时为163.5 Wh kg-1，在21000 W kg-1时为76.4 Wh kg-1）， 并表现出出色的循环稳定性（在2.0 A g-1的条件下，10000次循环后容量保持率为91.7%）。 |
| Other Abstract | 无 |
| MOST Discipline Catalogue | 工学 |
| Pages | 131 |
| Language | 中文 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/29106 |
| Collection | 固体润滑国家重点实验室（LSL） |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 杨兵军. MXene和纳米碳材料的结构调控及其存储碱金属离子特性研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2021. |
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