钾离子电池金属硫化物量子点/三维MXene负极材料研究

Potassium-ion batteries (PIBs) are considered as one of the candidates to replace lithium-ion batteries in the field of large-scale energy storage because of the high resources reserves and low cost of potassium. The development of high performance electrodes is the key to promote the development of PIBs. In this project, metal sulfide quantum dots (QDs) is prepared and anchored on the 3D MXene framework to synthesis the metal sulfide QDs/3D MXene composites with unique 0D-3D nanocomposite structure. The excellent conductivity of MXene can construct a good electronic conductive network, and same time the well-developed porous structure of 3D MXene is favorable to promote the migration of K+. As a "buffer skeleton", the 3D MXene network can effectively suppressed the volume expansion of sulfide quantum dots during charge and discharge. Thus, a high potassium storage performance of QDs/3D MXene composites can be obtained. This project focuses on the preparation of three-dimensional MXene, the preparation of metal sulfide quantum dots (ZnS, CoS, SnS2), the study of electrochemical properties，and the mechanism of potassium storage. The Van der Waals self-assembly and electrostatic self-assembly is used to prepare the composites. The breakthrough of these preparation technology is the key to synthesis the metal sulfide QDs/3D MXene composites with high specific capacity, long cycle life and excellent rate performance. In addition, the energy storage mechanism of the composite is clarified. It provides a theoretical basis for the design of new metal sulphide-based anode materials for PIBs.

钾离子电池具有资源丰富和成本低廉等特点,被认为是今后在规模储能领域可能替代锂离子电池的候选之一。开发高性能的电极材料是推动钾离子电池发展的关键。本课题提出制备金属硫化物量子点，并将其铆钉在MXene三维骨架上，制备具有零维-三维纳米复合结构的金属硫化物量子点/三维MXene复合电极材料。MXene优异的导电性可构筑良好的电子导电网络，同时三维MXene发达的孔道结构有利于钾离子的迁移，作为“缓冲骨架”可有效抑制硫化物量子点在充放电过程中的体积膨胀，从而获得高的储钾性能。本项目围绕三维MXene的制备、金属硫化物量子点（ZnS,CoS,SnS2）三维复合材料的制备、电化学性能与储钾机制等展开研究。拟采用范德华力自组装和静电自组装两种方法制备复合材料，制备出兼有高比容量、长循环寿命和优异倍率性能的复合材料。阐明复合材料的储能机理，为新型钾离子电池金属硫化物基负极材料的设计提供理论依据。

电化学储能技术，特别是电池，是必不可少的高效利用的可再生能源。新一代电动汽车的高速发展对锂离子电池负极材料提出了更高的性能需求，选择价格低廉且理论容量高的负极材料是满足其需求的一个有效途径。ZnS、SnO2和红磷均具有理论容量高、资源储量高且价格低廉的优点，因此可作为高性能负极材料使用。然而，ZnS、SnO2和红磷储锂时均存在一些相同的缺点，即储锂过程中的体积膨胀大和材料的导电性能差，这将会导致储锂时的循环性能衰减快和倍率性能低的问题。因此，根据ZnS、SnO2和红磷储锂时的特点，有针对性的设计材料结构以缓冲储锂时的大体积膨胀并改善材料的导电性能成为提升循环和倍率性能的关键研究。由此，制备了ZnS量子点/MXene复合材料、SnO2量子点/MXene杂化材料、三维MXene/CNTs@P复合材料、生物质碳包覆材料。采用各种物理化学手段对其结构和组分进行表征，测试其电化学行为和性能，研究了结构与性能之间的构效关系，分析了其电化学机制和电极过程动力学，阐明相关基础科学问题。.钾离子电池表现出相对较高的稳定性并且可以获得更高的能量密度，然而, K+插入石墨引起层间距的变化使其表现出快速的容量衰减。我们采用MXene 纳米片作为快电子/钾离子双功能导体，利用其独特的二维形貌、金属导电性和良好的柔韧性，构建了三维一体化石墨纳米片/MXene电极（GNFM）。通过同步XRD表征和第一性原理计算揭示了GNFM电极的储钾机制。此外，构筑的新型不可燃钾离子电容器展示了良好的循环性（循环500次后保留率高达94.1%）和高能量/功率密度（113.1 Wh/kg和12.2 Wh/kg）。其次，设计了具有超薄壁结构的介孔碳材料，以实现稳定、高效的储钾性能通过电化学分析、原位XRD分析和DFT计算，揭示了超薄壁介孔碳的钾储行为。组装了新型的不可燃性钾离子电容器，其展现了优异的电化学性能和高的能量/功率密度（120.2 Wh/kg和16.7 kW/kg）。