二硫化钼负极材料的水热合成与电化学性能研究

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二硫化钼具有典型的类石墨烯层状结构,理论比容量高达670 m Ah/g,是极具发展潜力的锂离子电池负极材料之一。目前纯Mo S2电极材料的电化学循环稳定性差,循环充放电20次后放电比容量多降至300 m Ah/g以下,无法满足锂电池要求。本论文从纳米化和复合化两方面入手,采用强化水热法制备出比容量高、循环稳定性好的Mo S2负极材料,利用XRD、EDS等分析了粉体的物相和成分,利用XPS分析了材料表面元素种类及价态,利用SEM、FESEM等分析了粉体的形貌,运用恒流充放电测试、循环伏安等测试了粉体组装为电池后的电化学性能,论文工作对于促进Mo S2电极在大容量、长寿命新型锂离子电池中的实际应用具有重要意义。论文的主要研究内容和结果如下:1.以硫脲为硫源,分别以钼酸钠和钼酸铵为钼源,制备出片状和球状Mo S2。确定了这两种钼源在水热体系中分别以Mo O42-和Mo O3的形式存在。通过添加不同种类及含量的表面活性剂,有效调控片状Mo S2的团簇生长方式。电化学测试结果表明,在本强化水热体系中制备的纳米片状Mo S2首周放电比容量为683.0 m Ah/g,循环20圈以后均降到300 m Ah/g以下,仍具有较差的循环稳定性。而球状Mo S2具有更佳的充放电循环性能,循环100圈后比容量仍高于400m Ah/g。2.以钼酸铵为钼源,硫脲为硫源,利用强化水热法制备了近球形二硫化钼粉体材料,考察了Mo与S的摩尔比、水热时间、水热温度、表面活性剂(PVP)的添加量等工艺条件对粉体形貌尺寸及收率的影响。得出了最佳的工艺参数:添加0.66 g钼酸铵,1.42 g硫脲,0.18 g PVP,80 m L蒸馏水,置于微型磁力搅拌高压釜中,在200℃下水热反应7 h,搅拌速度为400 r/min时,可以得到粒度分布在100~300 nm的近球形Mo S2。电化学测试结果表明,在500 m A/g电流密度下该负极材料的初始嵌锂比容量为874.7 m Ah/g,循环充放电100次后的比容量达465.8 m Ah/g,容量保持率为53.3%。该粉体经过500℃退火处理2 h后,在500 m A/g电流密度下的初始嵌锂比容量为686.3 m Ah/g,循环充放电100次后的比容量为571.3 m Ah/g,容量保持率为83.2%,退火可以使循环稳定性进一步增强。在电流密度分别为0.1,0.2,0.5,1.0和2.0 A/g的条件下,退火后的Mo S2电极材料可逆容量分别为596,551,481,420和361 m Ah/g,此外,当循环50次后电流密度回归到100 m A/g,其可逆容量随之回升到562 m Ah/g,可逆容量保持率约为94%,倍率性能较好。3.在合成近球形纯二硫化钼的基础上,以葡萄糖为碳源,制备出Mo S2@C复合粉体,呈现出以Mo S2为核,以无定型碳为壳的包覆结构,其中Mo S2的平均粒度约为50 nm,碳胶束的包覆厚度约为30 nm。该复合材料在500 m A/g电流密度下首次放电比容量可达705.2 m Ah/g,循环100次后的比容量达625.7m Ah/g。该复合材料与球状纯Mo S2相比,碳胶束的存在使Mo S2的结构稳定性提高,导电性增强,因此材料的循环稳定性大大提高,容量保持率超过80%。该复合粉体经过500℃退火处理2 h后,在500 m A/g电流密度下的初始嵌锂比容量为577.2 m Ah/g,循环充放电到第28次时,放电比容量降到474.5 m Ah/g,容量保持率为82.2%,但循环29圈以后出现比容量逐渐增大的现象,到第100圈后的比容量达582.3 m Ah/g,甚至超过了初始放电比容量。
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