原位生长过渡金属碳_氮化物的碳复合材料储钠_钾性能研究.pdf

摘要

环境污染和能源危机是阻碍当前社会经济可持续发展的重要因素。寻找良好

的储能体系，有效存储可再生能源是解决上述障碍的重要途径。锂离子电池因其

高能量密度和广泛的应用范围，被认为是电气化时代的推动力。然而，锂资源的

逐渐枯竭和价格的不断上涨，严重阻碍了大规模储能应用的发展。资源丰富的钠

/钾离子电池，由于其工作原理与锂离子电池相似，有望直接应用到目前成熟的锂

离子电池产业体系中。如钠/钾离子电池能成功应用于大规模储能领域，将基本满

足人类在电气化时代对电力储能设施的需求。但半径较大的钠/钾离子在嵌入/脱

出过程中，会在电极材料中产生较大的内应力，导致常规负极材料的实际容量较

低，长循环过程中结构损伤程度较大等情况。因此，钠/钾离子电池负极材料的探

索和研究已迫在眉睫。

本文根据过渡金属化合物，如氧化物、氮化物和碳化物等特有的结构特征，

对其进行微纳结构设计、异质结构构建和碳材料保护，系统研究这些策略对复合

材料储钠/钾性能的影响规律，获得性能明显改善的钠/钾离子电池负极材料，为

后续研究提供良好的借鉴。具体研究包括以下两个方面：

（1）采用自聚合和两步煅烧过程，在氮掺杂碳纳米束中原位生长MoC纳

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米晶，并与表面修饰的MoO颗粒构建成分级结构复合材料（MoO@MoC/C）。

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在该分级结构中，氮掺杂碳纳米束（N-CNBs）的柔性保护显著提升了复合材料

的导电性和结构稳定性，有效缓解了过渡金属化合物的体积膨胀和结构坍塌。

MoC具有良好的金属属性，与其原位生长的优势，进一步提升了MoO颗粒/氮

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掺杂碳纳米束的电荷转移能力和结构稳定性。重要的是，在储钠过程中，MoC

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纳米晶的活性位点被逐渐激活，显著提高了长循环过程中的有效容量。在5.0A

g-1下循环8000次后，MoO@MoC/C的可逆容量从126.2mAhg-1逐渐增加到

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419.1mAhg-1，容量保持率高达332.1%。这些结果表明，具有金属属性的过渡金

属碳化物在金属离子电池中具有较大的潜在优势，可为储能领域的发展提供良好

借鉴。

（2）通过自聚合和热处理工艺，在单晶面纳米棒表面合理地构建出具有双

金属属性的缺陷型异质结构（WO@WN），并原位交联在氮掺杂碳纳米片

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（CNSs）中，形成相应的复合材料（WO@WN/CNSs）。研究发现，WO纳

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米棒的单晶面中具有大量的不饱和空位缺陷与悬挂键，能有效促进电荷的定向转

移。具有丰富自建电场的异质结构，可有效调节WO的空位缺陷和WN的电

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子结构，显著提高电极材料的电荷转移和存储效率。利用缺陷和界面工程，WO3-

@WN/CNSs获得了较大的可逆储钾容量（0.1Ag−1下的可逆容量为366.6mAh

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