1.卢宪露博士学位论文答辩公告

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学位论文简介

研究内容

全文共分为5章：

第一章是绪论。主要介绍了研究背景与意义、钾离子电池的重要组成部分、国内外研究现状和本文研究的内容。

第二章是N/S共掺杂空心碳纳米立方体材料的制备及储钾性能研究。为解决钾离子电池（PIBs）主流负极循环稳定性差的问题，设计制备了N/S共掺杂的空心立方体碳纳米材料。N/S共掺杂能够引入更多的缺陷和活性位点，从而增强了对钾离子的吸附能力，进而提高电池的比容量；同时，氮和硫共掺杂扩大了碳的层间距，缓解了钾离子脱嵌引起的体积变化，提高了循环稳定性；此外，空心碳纳米立方体结构可以进一步缓解电化学过程的体积变化，缩短电子和离子的传输距离，从而提高循环稳定性。研究表明，在50mAg-1的低电流密度条件下，电极材料可以实现长达9个月的循环且比容量的保持率高达%。在0mAg-1大电流密度下，电极材料可以实现长达4个月圈循环且比容量的保持率为99.9%，其综合电化学性能高于大多数已有报道的负极材料。该研究为设计超高循环稳定性的PIBs负极材料提供了一定的思路。

第三章是B掺杂多孔纳米碳的制备及储钾性能研究。为赋予PIBs负极材料兼备高可逆比容量和优异循环稳定性，设计制备了B掺杂纳米多孔碳材料。硼掺杂在引入了更多的活性位点，提高电池赝电容贡献的同时，增强了电极材料导电性；此外，多孔结构可以缓解电化学反应过程引起的结构破碎，促进电解液的渗透以及电子/离子的传输，有效提高循环稳定性。研究表明，所构建的钾离子半电池在大电流密度为mAg-1的条件下，电极材料可以实现圈循环且比容量的保持率为%，具有mAhg-1高可逆比容量。所构建的钾离子全电池在大电流密度mAg-1下，电极材料可以实现长达圈循环且比容量的保持率为98%。其综合电化学性能高于大多数已有报道的负极材料。该研究为探索高性能的钾离子半/全电池负极材料提供了一定的帮助。

第四章是羧基官能团高温储钾性能及储钾机理研究。为了面向高温环境稳定服役，提出基于表面羧基官能团的一种新的储能机理，以规避钾离子电池（PIBs）电化学反应过程由于显著体积变化导致的循环稳定性差的普遍问题。研究表明，基于这种新的储能机理，以对苯二甲酸为负极材料所构建的PIBs，在高温62.5°C电流密度为mAg-1的条件下，经过圈循环后可逆比容量达mAhg-1，比容量的保持率为86%。在mAg-1大电流密度下，电极材料经过圈循环后可以实现高达81.5%的比容量保持率，其稳定性为目前已有报道的高温PIBs最优值。该工作为探索新型官能团储能提供了一定的借鉴。

第五章是金属有机骨架化合物MOF-5的制备及其高温储钾研究。基于表面官能团储能机理，为进一步提高钾离子电池（PIBs）的比容量，以PTA为配体，设计了金属有机骨架化合物MOF-5（含6个C=O双键），从而有效增加活性位点实现比容量提升。研究表明，所构建的电池在高温62.5°C下具有优异的综合电化学特性，在电流密度mAg-1下，PIBs初始放电/充电比容量分别为mAhg-1和mAhg-1，在大电流密度mAg-1下经圈循环后，可逆比容量高达56mAhg-1，每个循环的比容量衰减率仅为0.%。该工作推动了高温PIBs的进一步发展。

主要创新点

一是构建具有超高循环稳定性的钾离子电池负极材料

现有钾离子电池（PIBs）负极材料中，形态各异的碳材料因其低成本、无毒、无害、稳定性好等优点而广受人们的喜爱。但是由于钾离子半径大，增加了钾离子在碳材料中嵌入/脱出的难度，导致所构建的PIBs的倍率性能差、比容量低、循环稳定性差，尤其是循环稳定性。本文利用硫脲作为N/S掺杂源，设计制备了N/S共掺杂的空心纳米立方体碳，提高了PIBs的电化学性能，特别是循环稳定性。

二是构建同时兼备高比容量、优异倍率性能和优异循环稳定性的钾离子电池负极材料

碳负极材料可以通过杂原子掺杂，引入活性位点来提高比容量和循环稳定性，但是，过量的不同杂原子掺杂会扭曲π共轭体系，从而对碳材料的导电性产生不利的影响，进而导致电池的比容量发生衰减。本文利用硼酸作为掺杂源，设计制备了B掺杂纳米多孔碳材料，从而赋予钾离子半电池兼备高可逆比容量、优异循环稳定性和倍率性能；而且BPC构建的钾离子全电池也具有超高的循环稳定性。

三是构建基于表面官能团储能的高温钾离子电池

现有的钾离子电池负极材料在高温条件下循环稳定性很差，因为随着温度的升高，电子和离子的输运会加速，更容易引起电极结构的破坏，而且高温会导致电极和电解液发生严重的副反应。因此探索合适的高温环境稳定服役的PIBs负极材料是一大难题。本文利用商业对苯二甲酸（PTA）为例，提出一种基于表面羧基官能团的新储能机理，并运用傅里叶红外和X射线光电子能谱阐明这种新的储能机理。基于这种独特的储能方式，电池能在62.5°C下稳定循环工作，具有优异的高温循环稳定性。

四是构建具有优异循环稳定性的高温钾离子电池负极材料

现有的高温钾离子电池负极的循环稳定性和比容量不如人意，为了进一步提高表面官能团储能的比容量和循环稳定性，推动高温钾离子电池的进一步发展。本文利用PTA为配体，设计了金属有机骨架化合物MOF-5（含6个C=O双键），从而有效增加活性位点，实现高温钾离子电池的比容量和循环稳定性的提升。MOF-5独特的多孔结构、稳定的固态电解质界面膜和独特的储能方式是其具有优异高温循环稳定性的原因。

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主要学术成果

[1]XianluLu,XuenanPan,ZhiFang,DongdongZhang,ShangXu,LinWang,QiaoLiu,GangShao,DingfaFu,JieTeng*,WeiyouYang*.High-PerformancePotassium-IonBatterieswithRobustStabilityBasedonN/SCo-DopedHollowCarbonNanocubes[J].ACSAppliedMaterialsInterfaces,,13:-.

[2]XianluLu,XuenanPan,DongdongZhang,ZhiFang,ShangXu,YuMa,QiaoLiu,GangShao,DingfaFu,JieTeng*,WeiyouYang*.High-temperaturePotassium-IonBatteriesEnabledbyCarboxylFunctionalGroupEnergyStorage[J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica,,:35.

[3]XianluLu,DongdongZhang,JiangZhong,LinWang,LanJiang,QiaoLiu,GangShao,DingfaFu,JieTeng*,WeiyouYang*.MOF-5asAnodeforHighTemperaturePotassiumStoragewithUltrahighStability[J].ChemicalEngineeringJournal,,:.

[4]XianluLu,XinfengZhang*,YapengZheng,DongdongZhang,LanJiang,FengmeiGao,QiaoLiu,DingfaFu,JieTeng*,WeiyouYang*.High-PerformanceK-ionHalf/FullBatterieswithSuperbRateCapabilityandCycleStability[J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica.(Accepted)

[5]XianluLu#,QingfengZhang#,JueWang,SuhuaChen,JunminGe,ZhaomengLiu,LongluWang,HongboDing,DecaiGong,HongguanYang,XinzhiYu,JianZhu*,BinganLu*.HighPerformanceBimetalSulfidesforLithium-SulfurBatteries[J].ChemicalEngineeringJournal,2,:-.

2.MDFAZLAELAHE博士学位论文答辩公告

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学位论文简介

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