Ti3C2Tx MXene基复合纳米材料的制备及其在储能器件中的应用

作     者：冯敏 

作者单位：青岛科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王晓君

授予年度：2023年

学科分类：0808[工学-电气工程] 07[理学] 08[工学] 070205[理学-凝聚态物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：锂离子电池/电容器 Ti3C2Tx MXene 复合材料 界面作用 电化学性能 

摘      要：在国家能源处于深层次转型的背景下,电化学储能技术正逐步变成主流储能技术。在这之中,锂离子电池（LIBs）普遍被认为是电化学储能体系的最优选择,因为其具备能量密度高以及节能环保等优势。此外,超级电容器（SCs）因具有高功率密度,显示出实际应用的潜力,但由于能量密度达不到要求,它们的进一步发展受到了限制。锂离子电容器（LICs）作为锂离子电池和超级电容器的结合体,是集较高能量密度与较大功率密度于一体的新兴储能器件。负极材料作为离子的主要储存载体,直接影响着整个储能装置的性能表现。TiCT MXene作为新生的二维材料之一,因其特殊的层状形貌,表现出大的比表面积、高的电导率、亲水性的表面等特点,在锂离子电池/电容器中已被广泛运用。但也存在层间堆积、实际容量低等问题,制约了其在储能领域的深入发展。针对以上问题,本文以优化TiCT MXene结构与性能为出发点,对Ti基MXene复合材料的储能机理以及反应动力学进行了系统研究。通过锂离子电池/电容器的组装,证明了Ti基MXene复合材料在实际应用中存在的巨大的潜力。具体研究内容如下:（1）通过静电纺丝技术将离子插层以及表面官能团替换的二维TiCTMXene（KTi-400）引入一维碳纳米纤维中,从而形成三维导电网络。在这种KTi-400和碳基复合材料（KTi-400@CNFs）中,MXene层间堆积得到了缓解,而碳框架的存在为电荷传递提供了更多路径。此外,在KTi-400与碳纤维的界面处以Ti-O-C键进行化学键合,为电荷在纵向的快速扩散建立了桥梁。基于此,KTi-400添加比例为10%时的复合材料（10-KTi-400@CNFs）拥有最佳的电化学性能,电流密度为0.1 A g时,可逆容量为594.1 m Ah g,在电流密度升高至5 A g时,仍能有226.5 m Ah g的可逆容量。更值得关注的是,将10-KTi-400@CNFs作为负极,正极选择活性炭,组装成的锂离子电容器实现了高能量密度(114.3 Wh kg)的同时,拥有了高功率密度(12.8 k W kg)。（2）以类石墨烯状的少层TiCT MXene（命名为f-TiCT）纳米薄片作为基底材料,制备了具有异质结构的花苞状SnS@f-TiCT复合材料。层状SnS通过界面互联作用均匀附着在f-TiCT纳米片表面,可以缓解f-TiCT的层间堆叠,缓冲SnS在充放电过程中的体积膨胀。当SnS@f-TiCT作为负极材料在锂离子电池中进行测试,在电流密度为0.1 A g时,可逆容量为1415.9 m Ah g;1A g的电流密度下仍能达到570.3 m Ah g的容量。此外,SnS@f-TiCT与活性炭组装的锂离子电容器,在50 m V s的扫描速率下循环5000次,容量保持率达到71.72%。（3）基于水热合成方法在手风琴状TiCT MXene的基础上原位生长NHVO纳米颗粒。不改变TiCT MXene层状形貌的基础上,会有效地对TiCT MXene的层间堆积问题进行缓解,起到层间支撑的作用。同时,复合材料的导电性得到改善,有利于电荷的快速传输。在0.1 A g时,170次循环后容量增加至702.2 m Ah g。同时,电流密度增加到1 A g,可逆容量依旧能够保持在565.9 m Ah g,显现出良好的倍率性能以及赝电容特性。作为负极材料应用于锂离子电容器中,展示出较高能量密度(151.15 Wh kg)和功率密度(10 k W kg)。