过渡金属碳化物电极材料的设计、可控合成、Li+离子嵌入及其电化学储能特性研究

The principle of storage capability for Li ion batteries is applied in the supercapacitor to construct Li ion supercapacitors. Density function theory computions are performed to investigate the electronic properties, structure stability, and Li storage capability of the transition metal carbides （Mn+1CnTx， where M is a transition metal;C represents carbon; T represents surface termination (HO,O,and/or F);x represents the number of termination groups;n=1,2, and 3） to select the promising Mn+1CnTx.And then, the layered ternary metal carbides (Mn+1AlCn) phase is controllablly synthesized by a ball-milling technology.The derived Mn+1AlCn phase is served as precursors of the synthesized two dimensional Mn+1CnTx super-thin nanosheets, which are controllablly synthesized through the chemical exfoliation method. The kinetic of the Al atom layer abstracted from the Mn+1CnTx atom layers is investigated. The primary properites, compositions and microstructures of the Mn+1CnTx nanosheets are also studied. The physical mechanism of the intercalation and de-intercalation for Li ions into Mn+1CnTx atom layers is proposed. The effect of the compositions and microstructures for the Mn+1CnTx nanosheets on the electrochemical performance is investigated, demonstrating the internal relations between the composition and microstructure as well as the electrochemical performance. Li ion supercapacitors are fabricated and their electrochemical performance is characterized. These investigations on these problems provide an important evidence for the synthesis and applicaion of the high quality Mn+1CnTx,which could help the developing of the important electrode materials with the high-performance,low cost, and high electrochemical storage capability. This work provides a new idea to optimize design good electrode materials with a excellent electrochemical performance.

本项目拟将锂电池的储能机制应用于超级电容器，构建Li+离子超级电容器。采用密度泛函理论计算过渡金属碳化物的电子和结构性质及Li电荷储存能力，筛选出最有潜力的碳化物（Mn+1CnTx）。然后，采用球磨技术可控合成三元碳铝化物Mn+1AlCn相，再以其为前驱物，采用化学剥离技术可控合成Mn+1CnTx超薄纳米片，研究从Mn+1AlCn原子层中抽掉Al原子层的动力学；研究超薄纳米片的基本性质、材料组成和微观结构;探索Li+离子嵌脱Mn+1CnTx原子层的物理机制；研究材料组成和微观结构对其电化学性能的影响规律与作用机制；揭示材料组成、结构与电化学性能之间的内在关系。尝试组装Li+离子超级电容器，表征其电化学性能。这些问题的研究为高质量Mn+1CnTx的制备与应用提供重要的依据，有助于促进高性能、低成本电化学储能关键材料的发展，为主动优化设计具有优良性能的电化学储能材料和器件提供一种新的思路。

能源匮乏与全球变暖成为21世纪人类面对的主要问题，迫切要求世界各国加快研发更加先进的能源存储系统。本项目的研究目标为结合锂离子电池以及超级电容器的储能机制，开发嵌入型电容材料，可控合成MXenes（Mn+1CnTx）纳米片；研究超薄纳米片的基本性质、材料组成和微观结构；探索金属离子嵌脱MXenes原子层的物理机制；研究材料组成和微观结构对其电化学性能的影响规律与作用机制；组装超级电容器，表征其电化学性能。目前已经成功完成上述目标，主要研究成果总结如下： .（1）通过理论计算筛选出了二维Mn+1Cn（M=Ti，V，Nb，n=1，2，3）体系具有较好的表面锂吸附能力和低的离子扩散势垒；阐明了该类MXenes体系的储能机制为嵌入型赝电容储能；其不同类型表面官能团形成机制包括热涨落和化学反应替换过程；其二维堆叠结构层间距取决于氢键，金属离子以及水合离子含量的变化；水合离子在其层间的输运具有多重输运通道。.（2）利用HF和LiF+HCl腐蚀Ti3AlC2合成了不同结构特征的Ti3C2Tx二维结构体系；得到了体电容达到892F/cm3的二维结构堆叠纯Ti3C2Tx样品；发现了其在酸性和碱性电解液下具有不同的倍率性能；针对二维Ti3C2Tx层堆叠问题，成功合成了纯Ti3C2Tx气凝胶结构和片层优化泡沫结构，实现了其高比表面积和高倍率性能优化。.（3）成功合成了优化的Ti3C2Tx/有机聚合物（PDA）复合薄膜；Ti3C2Tx/金属纳米颗粒（Ag）复合结构；Ti3C2Tx/碳纳米管等复合结构，将其应用于电极材料测试，有效克服了层堆叠问题，以及得到了较无复合Ti3C2Tx片层结构更为优异的电化学性能。.（4）成功组装了Ti3C2Tx/Ag复合结构与MnO2复合碳纤维体系组成的非对称超级电容器，以及碳纤维作为正极和Ti3C2Tx气凝胶作为负极的非对称超级电容器，得到了其优异的电化学性能以及作为19个LED并联灯板的电源系统性能。.上述结果为MXenes体系作为高性能电极材料及其产业化奠定了基础，为优化设计和开发新型高性能储能材料提供了科学依据和理论基础。截止目前，共发表SCI论文23篇，其中一区（JCR-2017）论文11篇，二区论文10篇，平均影响因子4.58。