硫化物负极材料的制备及其电化学性能研究

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锂离子电池以容量高、安全便利等优势在人类日常生活中发挥了重大作用。目前,以石墨为主的商用锂离子电池负极材料由于低的理论比容量(~372 m Ah·g-1)已经不能满足大型储能设备、动力能源装置等对快速充放电、高能量密度、高功率密度和更高安全性能的要求。因此,急需开发性能更佳的负极材料。金属硫化物因其高的比容量和平坦的充放电平台而备受关注。然而,差的导电性、大的体积变化和多硫化锂的溶解阻碍了金属硫化物在锂离子电池领域的商业化发展。本文通过简便且廉价的方法制备出具有特殊结构的微纳米硫化物复合材料,提升了其循环性能和倍率性能。具体内容如下:(1)C@CuS核壳结构的纳米复合材料的制备和储锂性能研究。采用一步沉淀法成功制备了C@CuS核壳结构的纳米复合材料。该方法采用碳球作为模板,实现了纳米CuS颗粒在模板上的非均相成核与生长。C@CuS纳米复合材料作为锂离子电池负极,显示出优异的循环性能和倍率性能。C@CuS复合电极在100 m A·g-1下循环100圈比容量为817.6m Ah·g-1。即使在5 A·g-1下也显示出314 m Ah·g-1高倍率性能。优异的性能是由于其独特的核壳结构。碳骨架作为核心不仅可以提高CuS的导电性,减轻其体积膨胀和防止CuS纳米颗粒的团聚,而且可以有效地吸附多硫化物,防止其溶解,抑制其容量衰减。(2)C@SnS2核壳结构的纳米复合材料的制备和储锂性能研究。通过一步水热法成功制备了C@SnS2 0维/二维核壳纳米复合材料。C@SnS2纳米复合材料中的SnS2纳米片在碳球表面上非均相成核与生长。其储锂性能明显优于纯SnS2材料。在100 m A·g-1下循环100圈后,C@SnS2复合电极的可逆比容量高达801.5 m Ah·g-1,在1 A·g-1下循环600圈的比容量为442.31 m Ah·g-1。良好的储锂性能是由于SnS2纳米片与碳球的协同作用,碳球不仅可以有效地吸附多硫化物,防止其造成的穿梭效应,而且能阻止SnS2纳米片的聚集,有利于放/充电过程中的电荷转移。此外,SnS2纳米片和碳球间的空隙能够有效地调节嵌锂时发生的体积膨胀。(3)FeS2/Ti3C2纳米复合材料的制备和储锂性能研究。采用沉淀法制备出铁氧化物/Mxene前驱体,再通过后期的硫化处理成功地制备出Fe S2/Ti3C2 Mxene复合材料。Fe S2纳米颗粒均匀地分散在MXenes纳米片表面。用作锂离子电池负极材料时展示出优异的储锂性能。Fe S2/Ti3C2电极在100 m A·g-1下循环150圈比容量为1083 m Ah·g-1。在1 A·g-1下循环800圈的比容量为523 m Ah·g-1。良好储锂性能源于Fe S2纳米颗粒和MXenes纳米片的协同作用。Fe S2纳米颗粒可以阻止MXenes纳米片堆积。具有优异的机械性能和导电性能的MXenes可以阻止Fe S2纳米颗粒的聚集,提高了复合材料的导电性,缓解了循环过程中Fe S2的体积变化。
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