摘要
由于当前锂离子电池的发展遇到了成本高、资源匮乏等瓶颈问题，为了满足能源的可持续发展，新型二次储能电池的研究受到了广泛的关注，其中镁离子电池最有竞争力。镁资源储量大、成本低，镁的二价性质能够提供更大的体积比容量，同时镁的还原电位较低，对应镁离子电池输出电压较高，能量密度较大。最主要的是，金属镁作负极在充放电时镁的溶解和沉积是可逆的，不会像金属锂电池一样产生危险的枝晶。镁离子电池的发展很大程度上受到正极材料的影响，镁离子电池性能好坏的关键在于正极材料的储镁能力，但是由于镁的二价性质以及较大的电荷密度，在镁离子嵌入和脱出正极的过程中受正极材料阴离子的强相互作用，导致电极反应动力学缓慢，因此设计和开发高性能的正极材料意义重大。 本文采用高导电性、大比表面积的二维过渡金属碳化物V2CTx为基底，与高电压大容量的过渡金属氧化物MnO2进行复合，利用二者的协同效应解决V2CTx材料自堆叠、层间距小以及镁离子嵌入量少等问题，同时改善MnO2电导率低，循环性差等缺点。具体研究内容如下: (1)采用水热法在氢氟酸刻蚀的多层V2CTx片层上原位生长不同晶型的MnO2,对不同晶型复合材料的物理性能和电化学性能进行检测。结果表明，多层V2CTx片层原位生长不同晶型MnO2有效抑制了片层的自堆叠，同时还能扩大层间距，提供了额外的离子通道，电极材料与电解液的润湿性也得到了改善，能够容纳更多的镁离子嵌入和脱出。不同晶型MnO2复合多层V2CTx材料作为镁离子电池正极材料时，在50mAg-1电流密度下δ-MnO2与多层V2CTx复合材料δ-MV的首圈放电比容量高于其他晶型，循环100圈容量保持率达到70.3％。经过大电流密度的循环，δ-MV复合材料的倍率性能依然比其他晶型要好，表明在4种不同晶型复合多层V2CTx材料中，δ-MV复合材料的结构稳定性最好，展现出较好的可逆性。 (2)利用静电自组装技术，制备了带不同电性的单少层V2CTx和单少层MnO2在不同比例下的复合材料，对复合材料进行了XRD、SEM、比表面积测试，分析了复合材料组装成镁离子电池的电化学性能。结果表明，当dl-MnO2和dl-V2CTx质量比为30％时，dl-MV复合材料中V2CTx的层间距和比表面积最大，具有最丰富的离子传输通道和最多的氧化还原活性位点。将不同比例的复合材料作为镁离子电池正极，在50mAg-1电流密度下dl-MV-30％复合材料的循环性能最好，首圈放电比容量为150.5mAhg-1,在充放电100圈后容量保持率高达87％，循环伏安和倍率性能测试表明dl-MV-30％复合材料具有较好的储镁性能。
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