摘要: 为实现“碳达峰，碳中和”战略目标，发展清洁可再生能源显得尤为重要。虽然风能和太阳能已实现大规模应用，但是如何将这些可再生能源安全存储依然面临着严峻挑战。二次可充电电池的出现成功地解决了这一难题，可以根据不同应用场景选择不同的储能体系... 展开 为实现“碳达峰，碳中和”战略目标，发展清洁可再生能源显得尤为重要。虽然风能和太阳能已实现大规模应用，但是如何将这些可再生能源安全存储依然面临着严峻挑战。二次可充电电池的出现成功地解决了这一难题，可以根据不同应用场景选择不同的储能体系。然而，无论是当前普遍商业化应用的锂离子电池，还是储量丰富、价格更为低廉的钠离子电池，都需要开发高性能负极材料。负极材料作为二次电池的重要组成部件，依然有很多问题需要解决。当前商用的石墨负极由于本身的低锂存储能力限制了其在高能量密度需求设备上的应用，并且石墨负极也很难进行钠离子存储。因此，亟需开发出具有高容量并同时适用于锂离子和钠离子存储的负极材料。在众多的候选材料中，锡基材料由于具有理论容量高、导电性好、资源丰富、易制备等优点而备受研究者关注。然而，锡基材料在储能过程中同样面临体积膨胀大和容量衰减快等问题。如何在提升电极容量的同时确保优异的大倍率长循环性能是当下研究的热点。解决此问题的关键核心是增加锡基材料在储能过程中反应活性位点，以及缓解锡纳米颗粒的体积膨胀。本论文基于缺陷工程，通过结构优化、杂原子掺杂、异质结构建和空位调控等多种策略相结合，设计并制备了多种锡基复合电极材料并研究了其储锂/钠性能。研究内容如下所述: （1）通过对前驱体Sn6O4（OH）4/NG（氮掺杂石墨烯包覆Sn6O4（OH）4纳米颗粒）复合材料进行磷化处理制备得到了P-Sn/NG（磷化改性的氮掺杂石墨烯包覆锡纳米颗粒）复合材料，并研究了磷化改性处理对电极材料的结构以及电化学性能的影响。结构和形貌表征证明了磷改性处理将P-Sn/NG复合材料的纳米结构优化为纳米/微米初级颗粒,并将材料表界面改性为非晶态，电化学结果表明磷化处理提高了电极材料SEI膜的稳定性，提升了初始库仑效率（ICE,平均82.2％）,以及加快了离子传输效率。该实验结果表明，P-Sn/NG电极在锂离子电池上显示出优异的循环稳定性和倍率性能（在5.0Ag-1下3200次循环后保持620.0mAhg-1）。由于钠离子半径较大，储能过程中P-Sn/NG复合材料的体积膨胀更为严重，使其钠离子存储性能相对锂离子电池而言较差。此研究表明了磷化处理能优化锡金属电极材料结构，修饰电极材料表界面，提升储能性能,并为我们后续的实验设计提供了指导意义。 （2）以Sn/RGO（还原氧化石墨烯包覆锡纳米颗粒）复合材料为前驱体，通过磷化处理制备得到SnxPy/RGO（还原氧化石墨烯包覆多相复合的磷化锡纳米片）复合材料,并探究了多物相复合对其储能性能和储能机理的影响。形貌和结构表征证明了通过调控磷化过程中的升温速率和磷源用量能够可控合成单一相SnP0.94/RGO（还原氧化石墨烯包覆SnP0.94纳米颗粒）和复合相SnxPy/RGO复合材料，电化学测试结果表明SnxPy/RGO复合材料作为锂离子电池负极材料在2.0Ag-1电流密度下循环1400圈后容量能够保持在713.0mAhg-1,作为钠离子电池负极材料时在0.5Ag-1电流密度下循环100圈后具有421.0mAhg-1的容量，和SnP0.94/RGO复合材料相比，SnxPy/RGO复合材料具有优异的倍率性能和循环性能。实验结果表明，得益于石墨烯包覆结构和多相复合协同作用，SnxPy/RGO电子导电性和结构稳定性显著提高，离子传输速率也明显改善,同时，多相复合结构的存在能够提升电化学储能过程中的反应动力学，极大地促进Sn4P3的可逆生成并改善电化学性能。该设计策略为锡基磷化物负极材料的设计制备及其储能应用提供了一个新的思路。 （3）以Sn6O4（OH）4/NG为前驱体，通过一步碳化和磷化处理制备得到了SnxPy/NG（氮掺杂石墨烯包覆多相复合的核壳结构的磷化锡）复合材料，并研究了不同制备工艺对材料纳米结构和物相的影响，及其与储能性能之间的联系。SEM和TEM测试证明了通过调控制备工艺能够分别获得具有纳米团簇、纳米颗粒和核壳结构的纳米复合材料，电化学测试结果显示具有核壳结构的SnxPy/NG复合材料的储能性能优于具有纳米团簇和纳米颗粒结构的复合材料。实验结果显示核壳结构的SnxPy/NG复合材料具有稳定的大倍率长循环锂/钠离子电池性能，作为锂离子电池负极材料在5.0Ag-1电流密度下循环3000圈后容量能够保持在521.0mAhg-1,作为钠离子电池负极材料时在1.0Ag-1电流密度下循环300圈后具有203.0mAhg-1的容量。核壳结构的空隙能够缓解体积膨胀，并且Sn4P3和SnP0.94复合相结构能够促进反应动力学，复合相结构协同核壳结构有效提升电极材料储能性能。该设计思路为设计制备独特纳米结构的锡基磷化物指明了方向，并为其他金属基磷化物电极材料提供了指导意义。 （4）采用水热辅助磷化法设计制备了具有三维多孔结构的SnS2-xPx/RGO（还原氧化石墨烯包覆的异质结与硫空位共构的锡基硫化物）复合材料，并探究了三维网络状结构与磷掺杂、硫空位以及SnS-SnS2异质结构间协同效应对电极材料储能性能的影响和作用机制。SEM和TEM结果表明了水热过程中Sn6O4（OH）4纳米颗粒诱导石墨烯自组装形成三维网络状结构，EPR证实了硫空位的存在，XRD、Raman结合TEM测试证实了SnS-SnS2异质结构的构建。电化学测试结果表明，SnS2-xPx/RGO电极材料具有优异的大倍率长循环储锂/钠性能，作为锂离子电池负极材料在10.0Ag-1电流密度下循环3000圈后容量能够保持在337.0mAhg-1,作为钠离子电池负极材料时在2.0Ag-1电流密度下循环4000圈后具有199.0mAhg-1的容量。硫空位、异质结构和磷掺杂的协同作用增加了电极材料的反应活性位点，同时改善了电极材料的导电性，加快了离子传输动力学以及增强了结构稳定性。该设计策略为提升锡基硫化物的储能性能具有重要意义，并可以拓展到其他金属基硫化物电极材料的设计与制备。 收起