新型CoSe2@C/MXene多级孔结构构筑及其铝离子电池性能研究

Al-ion batteries have been investigated as promising alternative energy storage devices, because of their high energy density and excellent safety performance. CoSe2 is considered as an ideal cathode material for Al-ion batteries for its high capacity. Nevertheless, the poor cycle life and rate performance still plague its practical application. In this project, a unique CoSe2@C/MXene hierarchical porous structure is to be established, in which C/MXene form 3D electronic conductive network and the hierarchical pores provide paths for ions transmission. Moreover, the layers of C/MXene can effectively inhibit the loss of Co species towards the electrolyte and improve the structure stability. Consequently, the rate performance and cycle stability of CoSe2 could be dramatically improved. The relationship between the intrinsic properties and electrochemical performances of CoSe2@C/MXene will be intensively investigated. The influence of the 3D electron/ion conductive framework on rate performance will be further studied and the capacity fading mechanism will be discussed to provide the theoretical support for preparing high performance cathode material of Al-ion batteries.

铝离子电池由于储能密度高、安全性能好等优点，有望成为下一代新型储能器件。CoSe2具有很高的充放电容量，是一种具有很强应用潜力的正极材料。然而，CoSe2仍然面临大电流充放电性能差和循环稳定性不佳等关键科学问题，严重阻碍了该类材料的实际应用。本项目拟构建一种具有新型多级孔道结构的CoSe2@C/MXene复合材料。其中，高导电组分C/MXene构成三维电子导电骨架，多级孔结构形成三维离子传递通道，有效改善材料的电子/离子导电能力。此外，C/MXene包覆层能够抑制CoSe2中金属元素的溶出，兼顾结构稳定性的提高，有效解决其倍率性能差和循环稳定性不佳的关键科学问题。系统研究CoSe2@C/MXene多孔结构与其电化学性能之间的构效关系；探索三维离子/电子导电网络的构建对电池倍率性能的影响规律；研究复合材料容量衰减过程，揭示其关键影响因素及机理，为制备高性能铝离子电池正极材料提供理论基础。

随着人类社会的不断发展，能源危机和环境污染问题正日益加重。新能源的使用是解决全球性能源短缺和环境污染的有效途径。在新能源技术的应用中，新型储能器件的开发及利用是关键环节。其中，电极材料是储能器件的核心组成部分，对电池性能有着重要影响。本项目以高容量CoSe2纳米材料为基础，利用C及MXene良好的机械韧性和电子导电能力，设计构筑具有多级孔结构的复合材料，系统研究复合结构的构筑机理与形貌调控规律，探索CoSe2@C/MXene的充放电机制及动力学参数对电化学表现的影响规律。同时我们也探索了具有类似多级结构的Si@Graphene复合材料的形貌结构与电化学性能之间的作用机制，并深入讨论了多孔结构的构建对电极材料的性能影响。从扫描电子显微镜、氮气吸脱附测试、孔径分布等测试结果中能够发现复合材料经过高压处理后样品的孔含量明显减少，证明随着高压处理，成功改善了不同组分的接触界面状态。经电化学性能表征发现，未经表面造孔及高压处理的样品经过10次和100次循环后，样品的容量快速下降至1416.2和474.7mAhg-1。这主要是因为石墨烯片层结构与纳米硅之间的接触面积较小，石墨烯功能作用发挥不充分所致。对比发现，经过高压处理后的样品不仅具有较高的初始容量，循环稳定性也出现了明显的改善，循环150次后容量仍保持在1345.0mAhg-1。这主要是因为高压处理提高了硅碳接触界面面积。良好的接触界面充分发挥了石墨烯的功能作用，有效改善了复合材料的循环稳定性。此外，改性材料表现出了较高的首次库伦效率90.3%，这意味着有害副反应（如SEI膜的持续生长）受到了有效的限制。该研究系统探索了多孔结构、界面结构对电极材料储能表现的影响规律，深入研究了离子嵌脱机制、容量衰退机制及动力学参数影响规律等关键科学问题，阐明电极与电解质界面处的离子/电子传输机制，为研制新型高性能电池材料提供了理论依据，具有较强的理论研究意义和应用推广价值。