预嵌入阳离子MXene基三维无粘结剂多级正极材料的制备及储铝机理研究

Rechargeable aluminium battery is widely studied in the field of large-scale energy storage owing to its abundant resources, safety and low cost. However, the preparation of cathode with high capacity, high energy efficiency and long cycling life is the key problem in the rechargeable aluminium battery. The main factors affecting the performances of Al-MXene battery are the dissociation of aluminium ions, the interaction between aluminium ion and host lattice, the ion transport speed in cathode. Herein, this application intends to realize the synthesis of MXene embeded cation by chemical intercalation, and to prepare three-dimensional binder-free electrode based on MXene by means of electrostatic spinning. The influences of M, X, functional groups and embeded cation in MXene materials on the effects of the dissociation and intercalation-deintercalation in aluminium ion will be studied by theoretical calculation and experiments, and the energy-storage model of Al-MXene battery will be also established. The mechanism of three-dimensional binder-free structure on ion transport and electron transfer is also to be investigated, and models on cycling performance and rate capacity of aluminium battery are also to be constructed. The results of this project can help to understand not only the energy-storage mechanism of MXene as the cathode of aluminium battery, but also the mechanism of capacity, energy efficiency and cycling life of aluminium battery in the perspectives of ion structure, chemical bond combination and macro electrode.

高容量、高能量效率、长循环寿命正极材料的开发和研究是铝电池在大规模储能领域应用的关键问题。Al-MXene电池中铝离子的解离、铝离子与正极晶格的相互作用力以及离子在电极材料中的传输速度是影响电池性能的主要原因。本项目拟通过化学插层的方法实现阳离子在MXene层间的预嵌入，采用静电纺丝制备MXene基三维无粘结剂多级电极。通过理论计算和实验验证相结合的方法重点探究MXene材料中的金属元素M、X、官能团以及预嵌入阳离子对铝离子解离催化和嵌入-脱出的影响规律，建立Al-MXene电池储能模型；深入研究三维无粘结剂多级结构对离子传输和电子转移的影响机制，建立其对铝电池循环性能和倍率性能的影响机理模型。本项目的研究结果不仅有助于深入理解MXene作为铝电池正极材料的储能机理，还有助于从微观离子结构、键态结合到宏观极片等多角度理解铝电池容量、能量效率和循环性能改善的机理。

开发新型的安全高比能量二次电池体系对于大规模储能十分重要。作为实用性的电池必须要满足低成本、高安全性、高能量密度、长循环寿命等条件。在获得国家青年科学基金资助后，本项目主要研究了MXene对铝离子电池正极材料性能的影响，按期完成了预期目标。经过项目组成员三年的努力，取得的主要成果有：1. 形成了电化学刻蚀法制备MXene的新工艺并探究了电化学刻蚀机理。2. 制备CoS2@MXene复合材料，研究其在铝离子电池中的电化学性能，CoS2原位生长在MXene的层片上，而MXene起到了一个导电基体的作用。MXene优异的导电网络，极大地促进了电子的传输，从而提高电池的电化学性能。MXene的二维层片状结构，稳定了活性物质的结构，缓解了材料后期循环的坍塌，降低了电池容量的衰减率。3. 制备金属离子掺杂的PANI@MXene复合材料，研究MXene对聚苯胺正极材料电化学性能的影响，（i）MXene界面工程可以更好地适应AlCl2+插入/脱出时产生的应变，提高循环寿命；（ii）具有优异导电性的MXene基体有助于缩短电子传输路径长度，降低电子和离子传输电阻；（iii）避免Ti3C2Tx纳米片的严重堆积，从而协同提高电池的电化学性能。4. 制备MXene基自支撑有机、无机铝离子电池正极，研究无粘结剂电极的倍率性能、循环性能和充放电性能，在0.5 A/g的大电流密度下Ni-PANI@MXene/CNT自支撑电极的初始放电比容量为150 mAh/g，放电比容量最高值为236 mAh/g，循环2500次后放电比容量仍保持在190 mAh/g。通过本项目的研究，为MXene在铝离子电池正极材料中的应用提供了理论依据和思路。