基于MXene改性的水系锌离子电池钒基正极材料的设计及其储锌性能研究.pdf

摘要

摘要

水系锌离子电池由于其成本低廉、安全可靠和极具竞争力的能量密度和功率密度，

成为未来大规模储能领域最有希望的竞争者。正极材料作为锌离子存储和释放的宿主，

是直接决定水系锌离子电池储锌性能优劣的关键。在众多已开发的正极材料中，钒基

化合物普遍具有更优异的比容量、倍率性能和可逆性，被认为是最具前景的正极材料。

本文以三种具有代表性的钒基化合物VO、Mn2+预嵌入的VO·6HO及ZnVO作

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为研究对象，选择具有独特结构和物理化学性质的新型二维材料MXene对其进行改

性，旨在进一步提升储锌性能。此外，结合多种非原位表征手段，对电极材料的储能

机理进行了系统研究。主要工作如下：

（1）基于MXene改性的VO正极材料（MXene@VO）的制备及其储锌特性研

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究。采用一步水热法制备了MXene@VO2复合材料，并将其作为水系锌离子电池正极

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材料。由于MXene的独特优势，该电极材料在10Ag的电流密度下，循环4000圈

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后仍输出了160.8mAhg的放电比容量。其次，为了探索其应用潜力，制备了基于该

材料的柔性软包电池。此外，储锌机制研究表明，该材料展现出典型的Zn2+嵌入/脱

出机制。最后，基于密度泛函理论的第一性原理计算结果表明Zn2+倾向于嵌入MXene

和VO2之间的界面，MXene的引入有效地促进了Zn2+的迁移。

（2）基于MXene改性的Mn2+预嵌入VO·6HO复合材料（MXene@MnVO）

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的制备及其储锌特性研究。采用水热法制备了MXene@MnVO复合材料，并将其作

为水系锌离子电池正极材料。得益于MXene与预嵌入Mn2+的协同作用，该材料在10

Ag-1下，循环1500次后，其放电比容量仍为306.0mAhg-1，容量保持率约为93.0%。

其次，制备了基于该材料的柔性软包电池以探索其应用潜力。此外，储锌机理研究结

果揭示了该正极材料典型的Zn2+嵌入/脱出机制。最后，第一性原理计算结果表明

MXene的引入可以促进整个反应过程中离子及电荷的转移。

（3）基于MXene改性的ZnVO正极材料（MXene@ZnVO）的制备及其储

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锌特性研究。采用水热法，制备了MXene@ZnVO复合材料，并将其作为水系锌离

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子电池正极材料。MXene的引入切实提高了材料的电子/离子传导率，从而表现出较

ZnVO单体更高的比容量及更持久的循环寿命。同时，制备了基于该材料的柔性软

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西北大学硕士学位论文

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包电池发掘其应用潜力。此外，该电极材料展现出H/Zn共嵌入/脱出机制。最后，

第一性原理计算结果进一步表明ZnVO和MXene之间的界面促进了Zn2+的输运。