随着社会对环保、高能便携式电子设备和大规模电能存储设备的需求日益增加,可充电锂离子电池和钠离子电池逐渐走进人们的视线。研发低成本,高倍率性能,高安全性和长循环寿命的正负极材料是制约锂、钠离子电池实现大规模发展应用的关键。通过氢氟酸刻蚀Ti₃Al C₂ MAX相中的Al,可得到片层状的Ti₃C₂T_xMXene,其优异的导电性、较好的机械强度、层间距可调节的特性以及有利于离子的传输和扩散的二维(2D)表面,被认为是一种极具发展前景的电极材料。但是Ti₃C₂T_x MXene理论比容量较低,并且具有自堆叠特性,限制了其在高能锂/钠离子电池中的应用。将Ti₃C₂T_x MXene与高比容量的正、负极材料自组装制备复合材料,是常用且有效的改性策略之一。作为锂离子电池的正极材料,磷酸铁锂(Li Fe PO₄)相比于广泛商业化的钴酸锂,具有原材料丰富,价格低廉,高理论比容量,良好的循环稳定性等特点。然而,Li Fe PO₄的应用受限于低电导率以及较差的锂离子扩散能力。此外,二硫化钼(MoS₂)材料凭借其可调节带隙、利于钠离子脱嵌的层间距离、倍率性能高、易于制备等优势成为钠离子电池负极材料的研究热点。但是MoS₂在钠离子脱嵌过程中剧烈的体积膨胀严重限制了其循环寿命。围绕上述问题,本文通过设计电极的表面结构,将Ti₃C₂T_x MXene修饰Li Fe PO₄用作锂离子电池正极材料,一并改善低电子与离子传输速率的缺点,并研究了其相关的电化学特性,进而分析了MXene在循环过程中的相变。此外,通过在Ti₃C₂T_x MXene表面原位生长MoS₂,达到抑制MoS₂的团聚,缓解体积膨胀的效果。另外利用MXene所产生的相变,合成出具有金红石相和锐钛矿相共存的Ti O₂与MoS₂@MXene复合钠离子电池负极材料。以上工作为MXene基复合材料在锂/钠离子电池的应用提供了思路。主要研究内容如下:(1)采用简便、高效的室温制备法合成了MXene修饰的Li Fe PO₄@C复合材料(LFP@C/MXene)。首先,Li Fe PO₄纳米片的[010]晶向距离较短,能够提高LFP的锂离子扩散系数,并且碳包覆有利于增强单个颗粒的导电性。另外,高导电MXene与Li Fe PO₄@C纳米片形成“点面结合”的导电网络和分层多孔结构,既阻止了LFP@C纳米片的聚集,又增加了与电解液的接触界面,提高了电化学反应的电子传递。循环过程中部分MXene在循环期间氧化为Ti O₂和碳,这可为锂离子嵌入/脱出提供更多的活性位点。因此,所制备的Li Fe PO₄@C/MXene复合材料展现了优异的电化学性能,在20 C的高电流密度下仍具有139 m Ah·g^-1高比容量,并且在1 C电流密度下循环500次,容量保持率高达94.8%,为2D MXene用于高性能锂离子电池电极材料提供了新思路。(2)在十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)的辅助作用下,通过一步水热法制备了具有分层、多孔结构的MoS₂@MXene@D-Ti O₂复合材料。其中,CTAB导致MoS₂晶格间距扩大,有利于钠离子的脱嵌。同时,一部分MXene在水热过程中被氧化,转化为具有金红石和锐钛矿晶相共存的Ti O₂。这种独特的“平面到表面”结构既能阻碍MoS₂的纳米花聚集和堆叠,同时实现了足够的电极/电解质接触。另外,双相Ti O₂、MoS₂和MXene之间的异质结构可形成内建电场,进一步促进了Na⁺传输。因此,所构建的3D MoS₂@MXene@D-Ti O₂负极材料在室温下表现出优异的高倍率可逆容量(5 A g^-1电流密度下容量为359.6 m Ah·g^-1),即使在-30°C的低温下仍具有出色的循环稳定性(约200 m Ah·g^-1)。此外,在与Na₃V₂(PO₄)₃正极配对的钠离子全电池中也具有优异的电化学性能。