摘要: 水系钠离子电池(ASIBs)由于其安全、成本低廉、倍率性能出色等优点，近年来逐渐进入学者们的视野，有望大规模应用于大型储能领域和低速交通领域。然而，水系电解液存在着电压窗口窄、副反应复杂等问题，对ASIBs的长循环性能产生了严重的影响，限制了... 展开 水系钠离子电池(ASIBs)由于其安全、成本低廉、倍率性能出色等优点，近年来逐渐进入学者们的视野，有望大规模应用于大型储能领域和低速交通领域。然而，水系电解液存在着电压窗口窄、副反应复杂等问题，对ASIBs的长循环性能产生了严重的影响，限制了其发挥出应有的优势。负极材料作为ASIBs的主要部件，是影响其电化学性能的关键。具有Na超离子导体(NASICON)结构的NaTi2(PO4)3(NTP)由于其内部的三维开放框架以及合适的负电位窗口，被认为是最有应用前景的ASIBs负极材料。然而，NTP的导电性较差，并且在循环过程中会发生严重的体积膨胀，限制了其在ASIBs中的广泛应用。针对这一问题，本文采用不同的合成策略，构建基于Ti基金属有机骨架(MIL-125)衍生的NTP基复合电极材料，通过对其微观结构的调控，实现了复合材料表/界面性质的优化，显著提升了 NTP基负极材料的电化学性能。系统研究了复合材料的不同组分、结构的演变对其电化学性能的影响规律，并探讨了其储钠机制;同时将具有良好储钠性能的NTP基复合材料负极组装了水系钠离子全电池，探讨其实际应用性能。主要研究内容如下: (1)以MIL-125为前驱体，通过简单的水热和高温热处理，制备了具有碳圆盘镶嵌的NTP/C纳米立方体复合材料，随后利用自聚合作用在其表面构筑聚多巴胺包覆层，经热处理后得到NTP/C@C多孔复合材料。金属有机骨架衍生的多孔碳圆盘结构提高了材料的比表面积，为复合材料提供了丰富的活性位点;表面包覆的碳层限制了 NTP在充放电过程中的体积膨胀，延长了其循环寿命;同时复合体系中双碳结构赋予了材料高的导电率，促进了离子/电子的快速传输，显著提升了 NTP/C@C多孔复合电极的电化学性能。电化学分析表明，当盐酸多巴胺与NTP/C的质量比为0.67时，NTP/C@C具有最佳的倍率性能，其在2C下拥有101.5 mAh g-1的可逆比容量，与NiFe-PBA正极匹配组装的水系钠离子全电池在2A g-1的高倍率下具有36.5 mAh g-1的首圈容量，且在循环1000圈后仍保持初始容量的71％,展现了其优异的高倍率循环稳定性。 (2)利用静电吸附作用，在羧基化处理过的碳纳米管(CCNTs)表面原位生长MIL-125,制备MIL-125/CCNTs,再以MIL-125作为自牺牲模板通过一步水热法及热处理构建了 NTP/CCNTs多级结构复合材料。NaTi2(PO4)3以纳米片层的形态堆叠成花状，有效地增加了材料的活性位点，有助于Na+的扩散;羧基化碳纳米管行程的导电网络，在加快电子传输的同时也有效限制了复合材料体积膨胀。电化学性能测试结果表明，基于原位生长的NTP/CCNTs多级结构复合材料具有极佳的倍率性能，其在5 C、10 C和20 C的高倍率下分别具有99、94.2和88.6mAh g-1的可逆比容量，在10C下循环500圈后仍有83％的容量保持率。与NiHCF正极匹配组装的水系钠离子全电池在0.2-1.8V的宽电压窗口下具有卓越的倍率性能，其在1,2和5A g-1的超高电流密度下分别拥有67、62.3和54.7 mAh g-1的可逆容量，并且在2 A g-1的电流密度下循环1000次后仍有首圈的73％,显示出良好的应用前景。 收起