二维MOFs衍生炭/MXenes高致密异质结体系的结构设计、自组装及协同储钠机制

Sodium-ion capacitors (SICs), as a new type of electrochemical energy storage devices, are attracting significant attention due to the good combination with the advantages of conventional sodium-ion batteries and supercapacitors. However, most carbon anodes suffer from their low volumetric specific energy and low first Columbic efficiency, which seriously restrict the energy density, power density and cycling life of SICs. In this project, we will study the surface and interfacial properties of MXenes and two-dimensional metal organic frameworks (2D MOFs) primarily and then fabricate the “brick-and-mortar” sandwiched 2D MOFs derived carbon/MXenes heterostructures via an electrostatic self-assembled method. The charge-transfer and ion-diffusion mechanism between MXenes and 2D derived carbon for sodium-ion storage will be elucidated at the micro level. The problems including low volumetric capacity and low Columbic efficiency for carbon anode materials during sodium charge storage can be potentially solved, and then the corresponding mechanism (such as synergistic effect and enhancement mechanism) will be clarified. Through further structural and technological optimizing, a composite anode with high volumetric capacity, high rate capability, and long cycle life can be obtained. Furthermore, by employing such high-performance 2D MOFs derived carbon/MXenes material as the anode and highly porous carbon as the cathode, SICs with high energy and power density can be achieved. Our work will provide some new experimental basis and theoretical guidance for fabricating high-density and low cost SICs.

钠离子电容器作为一种新型电化学储能器件，兼具钠离子电池高能量密度和超级电容器高功率密度的优点，而备受关注。本项目针对储钠碳负极体积比容量低、首次库伦效率低等缺点而不能满足高比能钠离子电容器构筑这一关键问题，拟从MXenes和二维MOFs材料的表界面行为出发，系统研究二维MOFs材料与MXenes的静电自组装行为，实现二维MOFs衍生炭/MXenes“叠层状”高致密异质结体系的精控制备与结构调变，解决二维层状炭的低堆积密度、低首效等问题；从微观层面上揭示MXenes与二维MOFs衍生炭之间电子、离子转移的改善机制，阐释两者之间的耦合、协同作用以及内在的性能增强的本质关系，进而制备出高体积比容量、高倍率特性和循环性能优异的复合电极材料，并与活性炭正极材料复配，设计和构建高性能的SICs，为促进新型高比能、低成本SICs的研发和应用提供可靠的实验依据和理论指导。

金属离子（Li、Na、K）电容器作为一种新型电化学储能器件，兼具电池高能量密度和超级电容器高功率密度的优点，而备受关注。本项目针对碳负极体积比容量低、首次库伦效率低等缺点而不能满足高比能、长寿命金属离子电容器构筑这一关键问题，开展了四部分研究工作：MOFs及衍生材料和MXenes可控合成与制备、MXenes与MOFs及衍生材料静电自组装技术、新型高比能碳基复合阳极材料的结构与电化学性能协同关系、金属离子电容器正负极动力学匹配与原型器件研发等，取得的主要成果如下：.（一）可控制备了MXenes与MOFs及衍生材料，深入研究了MOFs与MXenes的静电自组装行为，建立了科学的材料微观结构、表面性质调控、优化的方法和策略，实现了MXenes与MOFs材料之间的高效、绿色复合。.（二）重点研究MXenes/MOFs高温炭化下的相转变机制，阐释了二维MOFs衍生炭/MXenes复合材料与电解液之间的电子/离子运输机理、界面电荷转移机制，探索了MXenes对MOFs衍生炭的体积比容量的增加、不可逆容量的降低以及首次库伦效率的提升机理，构建MOFs衍生炭与MXenes之间协同储能关系。.（三）拓展研究了多孔炭正负材料的可控合成以及结构与性能调变以及碳基合金化材料（Si、Sb、CoSn等）和转化类（Fe3O4、MoS2等）复合电极材料的结构调控与电化学储钠/锂方面的研究。.（四）在器件方面，探索了自支撑、高体积密度负极工艺，优化了器件组装工艺，掌握改善电容器比能量、比功率以及循环寿命的有效调控方法和策略，完成了超长寿命钠/钾离子电容器的开发，实现了钠离子电容器的正负极动力学匹配，解决了正负极动力学不匹配的科学难题，发现动力学匹配后正极电位正移等新问题。.本项目研究成果可为促进新型高比能、低成本、长寿命的金属离子电容器的研发和应用提供可靠的实验依据和理论指导。