超薄二维层状钛基氧化物的可控构筑及其储镁性能研究

The research of the advanced green batteries is an important development direction for future energy storage and conversion. China has the most abundant magnesium resources in the world. The new rechargeable magnesium battery has the characteristics of high theoretical volume energy density, low cost, high safety, and environmentally-friendly. However, the shortage of cathode materials for magnesium storage severely limits the development of magnesium batteries. Therefore, how to develop high-performance, low-cost and environmentally-friendly magnesium storage cathode materials is an urgent problem to be solved. This project is designed to build an ultrathin two-dimensional layered Ti-based oxide as a cathode material for magnesium batteries. By optimizing the layered configuration, designing ultra-thinned structures, and loading carbon substrates with high specific surface area, it would increase the reactive sites of the materials, promote the stability of magnesium storage, and improve the electrochemical kinetic properties of the materials, which may significantly increase the electrochemical magnesium storage performance of electrode materials. In-depth study the effect of layered configuration and ultrathin profile on their electrochemical performance, revealing the structure-function relationship of the layered structure for magnesium storage. Besides, combining experiments and theoretical calculations to elucidate the magnesium storage mechanism of materials. The successful implementation of this project will help provide an important theoretical basis and technical basis for advancing the development of new magnesium batteries and the application of ultrathin two-dimensional layered materials in the field of multi-ion storage.

新型绿色电池体系的研究是未来能源储存与转化的重要发展方向，我国镁资源储量居世界首位，新型可充镁电池具有理论体积能量密度高、价格低廉、安全性高、环境友好等特点，然而由于储镁正极材料匮乏严重限制了镁电池的发展。因此，如何开发高性能、廉价、环保的储镁正极材料是可充镁电池发展中亟待解决的问题。本项目设计构筑一种超薄二维层状结构钛基氧化物作为镁电池正极材料，通过层状构型的优选、超薄化结构的设计、高比表面积碳基底负载等策略，增加材料的反应活性位点，提高材料的储镁稳定性，提升材料的电化学动力学性能，实现复合电极材料电化学储镁性能的大幅提升。深入研究材料的层状构型、超薄化形貌控制对其电化学性能的影响，揭示层状结构储镁的构效关系，并结合实验与理论计算阐明材料的储镁机理。本项目的实施有助于为推进新型镁电池的发展和超薄二维层状材料在多离子储存领域的应用提供重要的理论基础与技术依据。

新型绿色电池体系的研究是未来能源储存与转化的重要发展方向，我国镁资源储量居世界首位，新型可充镁电池具有理论体积能量密度高、价格低廉、安全性高、环境友好等特点，然而由于储镁正极材料匮乏严重限制了镁电池的发展。因此，开发高性能、廉价、环保的是可充镁电池体系具有重要的意义。本课题设计构筑一种具有超薄二维层状结构的钛基氧化物，并与具有高比表面积、高电导率的还原石墨烯（rGO）共同组成镁离子电池正极材料，通过层状构型的优选、超薄化结构的设计、碳基底负载的选择，成功制备的H0.68Ti1.83O4/rGO复合材料具备宽层间距（0.93 nm）、超薄二维结构（厚度为5 nm）和高离子传导率（10-9-10-11 cm2 s-1），这些结构特点显著增加了材料的反应活性位点，提高了材料的储镁稳定性，提升了材料的电化学动力学性能，实现复合电极材料电化学储镁性能的大幅提升，其可逆储镁比容量高达182 mA h g-1，且循环100周后期容量保持率高达88%。为进一步提升镁离子电池体系的循环稳定性与倍率性能，设计制作了准固态镁离子电池体系，准固态电解液兼顾固态电解液的稳定性和液态电解液高离子传输能力的优点，能够有效抑制金属镁的钝化，提升电池体系的循环稳定性。控制电压窗口在0.5-2.0V之间，循环100周后没有发生明显的容量衰减。此外，通过结构、形貌控制，阐明了层状结构钛基氧化物储镁的构效关系；通过实验与理论计算研究HTO储镁机理，揭示HTO材料脱嵌Mg2+前后的晶胞体积变化仅为0.05%，可称为“零应变”。本课题的实施对推进新型镁电池的发展和超薄二维层状材料在多离子储存领域的应用提供重要的理论基础与技术依据。发表相关论文8篇，其中SCI论文6篇，EI论文2篇，申请相关专利3项，其中1项一授权，培养高级工程师职称人员2人，工程师职称人员2人。