镍钴双金属化合物的制备及其在锂/钠离子电池中的应用

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随着对于化石能源的紧缺和相关环境污染问题的重视,二次电池逐渐成为了能源领域的主力军。其中,锂电可逆性稳定,作为一种高能电池被广泛应用;钠电则凭借材料来源广、储量大、效益高等优势快速发展。然而,硬碳、石墨受自身容量限制,难以满足发展,负极材料受到关注。镍钴作为过渡金属,其氧/硫化物的价态和组成更为丰富,所涉及的化学反应也更为复杂。此外,相比于单金属,双金属离子的协同作用赋予更高的氧化还原活性,成为了负极材料中的研究热点。但是,导电性不足、体积膨胀制约了性能镍钴双金属化合物作为负极材料,存在明显等问题。针对以上缺陷,本文设计了具有不同形貌结构的镍钴双金属化合物,通过水热、煅烧等方法构建石墨烯复合材料,合成高性能负极。(1)通过两步水热法,分别制备了海胆状前驱体碱式碳酸镍钴和块状Ni3S4/Co3S4@rGO(NCSG)。其中,直径在200~500 nm左右的块状Ni3S4/Co3S4(NCS)被石墨烯均匀包覆,构成完整的保护结构。NCSG 731m Ah g-1的储锂容量(0.1 A g-1,100圈)差强人意,但钠电中持续衰减的容量说明还有待优化。考虑到石墨烯堆砌和两者分散性的问题,优化了合成路线。首先,简单水热法制备镍钴硫化物后,引入作为阳离子活性剂的PDDA,利用静电吸附制备中间产物Ni3S4/Co3S4-PDDA-GO复合物。之后通过180℃水热还原制备了Ni3S4/Co3S4@rGO纳米材料(PDDA-NCSG)。上述合成路线使得终产物保持了更为规整的纳米颗粒结构,直径在50~100 nm左右;高温水热提高了石墨烯的还原度,构建了分散更好的的三维石墨烯导电网络,进一步提高了电化学性能。作为锂/钠电负极,PDDA-NCSG在100个循环(0.1 A g-1)后容量为1026/550 m Ah g-1,性能出色。(2)为了缓解镍钴化合物的体积膨胀以提升材料循环和倍率性能,通过溶剂热法设计并制备了具有中空结构的海胆状碱式碳酸镍钴前驱体。经过煅烧获得NiO/Co3O4(NCO),成功保持住了前驱体形貌结构的同时,生成了薄壁多孔的结构,更耐体积变化。探究了多种煅烧温度下的NCO的电化学性能,发现550℃时,性能最为优异(0.1 A g-1下充放电100次后容量1570 m Ah g-1),但大倍率容量衰减明显。为了弥补材料自身导电性能较差的问题,提升材料大电流循环性能,引入了石墨烯。即先通过水热法将前驱体和石墨烯复合,最后经过350℃煅烧,成功制备了中空海胆状NiO/Co3O4@rGO(NCOG)。当石墨烯加入浓度为2 mg L-1时,100循环(100 m A g-1)后比容量最高(1845 m Ah g-1);大电流(1 A g-1)400圈循环后仍有1248 m Ah g-1的比容量。(3)想要充分利用前体的特殊结构,于是以中空海胆状碱式碳酸镍钴作为前驱体,以Na2S·9H2O为硫源,水热制备多级空心花球状Co Ni2S4@rGO(s-NCSG)。s-NCSG的直径在2-6μm,花球由外层空心纳米刺,和内部球体的六边形纳米片自组装形成。但是由于材料的微米级尺寸,Co Ni2S4花球在石墨烯中的分散性不好,两者容易各自发生团聚。该材料在0.1 A g-1经过100个循环后,充电比容量可以达到738 m Ah g-1。然而,s-NCSG在钠离子电池中出现大幅度的容量衰减,考虑是钠离子尺寸更大,更易导致材料发生粉化。为了进一步开发更优异性能的材料,考虑通过氧硫双元素的引入,构建异质结构,提升材料的结构稳定性,即中空海胆状碱式碳酸镍钴前驱体依次经过高温煅烧和水热硫化,最终制备了纳米颗粒状的NiO/Co(OH)2/Ni Co(OH)S@rGO(NCOSG)。NCOSG颗粒粒径在30 nm左右,粒径更小,在石墨烯中分散更均匀。当石墨烯加入浓度为2 mg L-1时,材料具有最优秀的性能,100圈后分别具有1117 m Ah g-1的储锂容量。储钠方面,一百圈循环后容量为470 m Ah g-1,之前的容量锐减没有发生。材料尺寸细化、异质结构的生成和以及立体石墨烯导电骨架赋予了NCOSG卓越的稳定性。
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