rGO/MXene复合材料的制备及其钠电性能研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lym50691064
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钠离子电池作为二次电池的一种,由于其丰富的资源和低廉的成本有望取代锂离子电池。但是钠离子较大的离子半径在反复地嵌入和脱出电极材料过程中,会造成材料体积膨胀的问题从而会造成电池容量衰减和循环性能减弱的问题。MXene作为二维材料的一种,具有优良的电荷传输能力和独特的二维结构。其电容行为控制的储能方式,使得钠离子主要插入MXene的层间而不是进入材料的晶格之中。上述的这种特性使得MXene有望用于解决钠离子电池循环稳定性差的问题。但是MXene在使用过程中会发生团聚和自堆叠的现象,这会影响材料的电化学性能。为了避免这种现象的发生,采用石墨烯导电骨架起到支撑作用来阻止MXene片层的团聚,从而到达提升材料电化学性能的目的。课题中采用湿化学法制备MXene,采用化学氧化法制备石墨烯。通过真空辅助方式制备的GO/MXene薄膜在还原后出现了三维多孔状形貌,石墨烯形成了导电骨架有效地避免了MXene的团聚。将rGO/MXene薄膜组装成钠离子电池后,验证了材料的储能方式主要以电容行为控制为主。电池在10 mV·s-1的高扫速下,依然具有高达71%的电容贡献。随着石墨烯含量的增加,电池的比容量也随之提升。当石墨烯的掺杂量为5 Mass%时,电池在20 mA·g-1的电流密度下循环500次后具有89 mAh·g-1的比容量。在这个过程中,材料的层间距仅仅增大了0.84?,表现出良好的结构稳定性。当电流密度增大到500 mA·g-1的时候,电池仍然具有60 mAh·g-1的比容量,表现出优良的倍率性能。基于石墨烯和MXene表现出的良好性能,课题接着探究了两种材料在柔性储能器件上的应用。通过湿法纺丝和化学还原的方式,将两种二维材料制备成rGO/MXene复合纤维,该纤维表现出较好的柔性和拉伸性能并且还原后纤维的导电性能也得到极大改善。将rGO/MXene纤维组装成纤维型钠离子电池,电池在电流密度为33 mA·g-1时具有高达118 mAh·g-1的比容量和62%的首周库仑效率。在40次的循环过程中,电池表现出105.6mAh·g-1的平均放电比容量。该纤维型电池表现出较好的电化学性能,具有应用于柔性可穿戴设备的潜力。
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