摘要
锂离子电池因其高能量密度、快充性能好和长循环寿命等优点得到了广泛的应用。然而，由于锂资源稀缺且全球分布不均，锂离子电池（LIBs）在大规模固定储能应用中受到了严重限制。钾离子电池（PIBs）由于钾资源丰富、价格低廉、电极电势低（-2.93 V vs. SHE）被认为是锂离子电池的可行替代品。然而，K+较大的半径和质量会引起嵌入过程动力学缓慢，导致在脱嵌钾过程中的倍率性能差和循环不稳定。碳基材料以其资源丰富、成本低、无毒和结构多样性等特点成为极具发展前景的负极材料。本论文通过缺陷工程策略合成了氮、氟共掺杂碳纳米片和WS2/碳纸自支撑复合材料，研究了材料在锂/钾离子电池中的电化学性能；同时探讨了局部高浓度电解液对杂原子掺杂碳材料电化学性能影响，为锂/钾离子电池的发展提供了借鉴意义，主要研究内容包括： （1） 通过简单的缩聚反应和碳化得到了一种聚酰亚胺衍生的 N、F共掺杂的超薄多孔碳纳米片（NC-F），N和F的含量分别为 2.13 %和 0.3 %。得益于 N，F 共掺杂和二维片状结构，NC-F 材料在电流密度为 0.05 和 5.0 A g-1时分别提供了 437.4 mAh g-1和112.2 mAh g-1的高放电比容量，显示了优异的倍率性能。更重要的是，在 0.2 A g-1的电流密度下循环 900 次后，仍有 379.5 mAh g-1的可逆容量。F掺杂不仅可以提供更多的锂/钾存储位点，而且可以扩大碳的层间间距，从而提高锂/钾离子电池的倍率和循环稳定性能。 （2） 二硫化钨（WS2）具有较高的理论容量和独特的层状结构，采用水热法合成了WS2自支撑碳纸复合材料，WS2纳米片均匀地生长在碳纳米纤维表面，进一步硫化处理得到纳米片状结构的WS2，得益于碳纸独特的纳米纤维结构作为集流体集成电极以及硫化处理增强钾离子嵌入的混合相层状 WS2，WS2复合材料表现出优异的电化学性能。通过拉曼光谱、非原位XRD和TEM研究了复合物在充放电过程中的嵌入/转化反应机理。 （3） 采用具有高度氟化的双（2,2,2-三氟乙基）醚（BTFE）作为稀释剂加入到 5 mol L-1 KFSI/DME（双氟磺酰亚胺钾盐/二甲醚）电解液中设计了局部高浓度电解液（LHCE），采用拉曼和XPS系统地研究了该电解质的溶剂化结构。LHCE被证明具有好的氧化稳定性、低可燃性和相比于高浓度电解液增强的浸润性。此外，LHCE拓宽了低浓度电解液的电化学稳定窗口，低浓度电解液的氧化电位在 3.61 V，而高浓度电解液与局部高浓度电解液的氧化电位均在 4.0 V以上，表明 LHCE 仍保留着高浓度电解液宽电化学窗口的特点。将该电解液用于氮掺杂碳材料，在 100 mA g-1下实现了超过 410.5 mAh g-1的初始容量，并稳定循环300圈。
NETL