層狀Ti3C2Tx鋰離子電池負(fù)極材料的制備及其電化學(xué)性能研究.pdf

1、鋰離子電池所擁有的容量大、質(zhì)量輕、壽命長、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)使其成為目前應(yīng)用最廣泛的儲能技術(shù)。隨著社會的發(fā)展，人們對鋰離子電池的性能提出了更高要求。縱觀鋰離子電池發(fā)展歷史，電極材料是制約其性能的關(guān)鍵因素。鋰離子電池負(fù)極材料中，二維層狀材料因其優(yōu)異的儲鋰性能而備受青睞。最近，一種新型的二維層狀材料 MXene引起了大家的廣泛關(guān)注。MXene具有和石墨烯類似的層狀結(jié)構(gòu)，大的比表面積使其具有優(yōu)異的儲鋰性能，層間距可調(diào)使其具有有別于其他二維層狀材

2、料的顯著優(yōu)勢，是一種非常有研究價值和研究潛力的鋰離子電池負(fù)極材料。本文以MXene中重量最輕、能量密度最大的材料Tin+1AlCn（n=1,2）作為研究對象，系統(tǒng)研究了其合成方法及其電化學(xué)性能。主要研究方法及取得的研究結(jié)果如下：
　　首先，合成研究。第一，在室溫下進(jìn)行了Ti2AlC和Ti3AlC2在不同 HF濃度(10 wt％，20 wt%，40 wt%)下刻蝕，Ti2AlC和Ti3AlC2刻蝕最佳條件HF濃度均為40 wt%，時

3、間分別為4 h，6 h。其產(chǎn)率分別為6%和85%。據(jù)此，Ti3C2Tx更適合應(yīng)用于鋰離子電池中并應(yīng)用于后續(xù)研究。第二，剝離研究。嵌入二甲基亞砜后進(jìn)行剝離的實驗方式達(dá)到的效果最好，這主要借助了二甲基亞砜的吸水特性。剝離 Ti3C2Tx時，最佳條件為超聲功率150 W，4 h，低速離心，取上清液抽濾，即可得到較好的Ti3C2Tx單層。若將二甲基亞砜嵌入Ti3C2Tx層間，不超聲，則可得擴(kuò)層后的Ti3C2Tx。透射電鏡結(jié)果可知，層間距由21層

4、20 nm變?yōu)閿U(kuò)層后的17層20 nm。將Ti3C2Tx在沸水中處理剝離單層的方式，雖沒將 Ti3C2Tx剝離成單層，卻在Ti3C2Tx表面形成一層無定型TiO2，且穩(wěn)定性較好，結(jié)構(gòu)及形貌在500℃以下不會發(fā)生變化。
　　其次，本論文將 Ti3C2Tx作為鋰離子電池負(fù)極的進(jìn)行研究，并對其性能做了進(jìn)一步優(yōu)化。當(dāng)直接將 Ti3C2Tx用作負(fù)極材料時，1 C時循環(huán)100圈放電容量為100 mAh/g，循環(huán)穩(wěn)定性較好。電池在0.1 C，0

5、.2 C，0.5 C，1 C，2 C下放電，容量分別為167、135、115、105、94(mAh/g)，隨著放電倍率的增加，容量衰減較小，但其可逆性有待提高。電池傳荷電阻 Rct高達(dá)459.5 Ohm，即使循環(huán)后仍有109.1 Ohm。因為Ti3C2Tx表面存在一層F、O/OH基團(tuán)，影響電導(dǎo)率。將 Ti3C2Tx在沸水中處理后，相比之前，循環(huán)性能相差不多，Rct降至25.9 Ohm，倍率性能有所提高。將二甲基亞砜嵌入 Ti3C2Tx層

6、間，增加了層間距，有利于鋰離子的嵌入脫出，循環(huán)性能和倍率性能均得以改善，容量提高了30-50 mAh/g。Rct降至29.5 Ohm。將石墨烯與Ti3C2Tx材料復(fù)合，液態(tài)復(fù)合更均勻，對 Ti3C2Tx的改性效果更好，循環(huán)性能提高很多，1 C下的容量為185mAh/g。不同倍率下的放電容量提高了60-100 mAh/g；當(dāng)再次恢復(fù)到0.1 C放電時，容量能恢復(fù)到一開始的250 mAh/g，材料具有了很好的可逆性。
　　總之，在HF