Ni_aX_b(X=O,S,P)/C复合材料的制备及其储锂性能研究

来源 :兰州理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:paul5260
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镍基化合物Nia Xb(X=O,S,P)由于拥有高的理论容量、丰富的储量等特点,因此被认为是有望代替低理论容量石墨负极的锂离子负极材料之一。然而,镍基化合物的实际应用仍然面临着电导率低、体积效应严重、电化学反应动力学缓慢导致的容量衰减及倍率性能差等问题。对此,针对镍基化合物性能改进的方式主要有以下两点:一是通过与高导电材料复合提高电极电导率,二是通过合理设计纳米复合结构来维持电极结构稳定。本论文结合以上两种改性方式,采用离子液体衍生碳对镍基化合物Nia Xb(X=O,S,P)进行改性,从而提高其电化学性能。主要研究内容及结果如下:(1)采用高温热解-氧化工艺在Ni-NiO表面包覆氮掺杂的碳材料,得到Ni-NiO/NC复合材料。Ni-NiO/NC复合材料作为锂离子电池(LIBs)负极材料时,5 A g-1电流密度下循环1000次后依然保持了335.9 mAh g-1的可逆放电比容量。倍率性能中,当电流密度从5 A g-1重新回到0.25 A g-1时,其放电比容量从348.6mAh g-1回升到731.7 mAh g-1。其优异的储锂性能主要归因于以下两方面:一方面导电金属Ni显著提高了电极电导率,促进了电极反应动力学,并减轻了电化学极化;另一方面氮掺杂碳基底能够缓解NiO在嵌脱锂过程中的体积变化,同时增强了电极材料导电性。(2)采用升华硫直接硫化Ni/C前驱体制得Ni-NiS2/C复合材料。TEM表明,复合材料中导电金属Ni和NiS2分散在离子液体衍生碳中。电化学性能测试表明,Ni-NiS2/C表现出良好的可逆性和稳定性。在电流密度为0.2 A g-1时,循环60次后的可逆比容量维持在735.7/727.7 mAh g-1,当电流密度升至1 A g-1时,其可逆比容量在350圈后维持在348.7/343.6 mAh g-1。这是由于金属Ni可以提高Ni-NiS2/C复合材料的电导率,并且碳基底有利于缓解Ni-NiS2/C复合材料的体积应变。(3)以硫脲为硫源,采用简单的热解法制备了氮、硫双掺杂碳纳米管封装Ni3S2纳米颗粒的复合物(Ni3S2/NSCNTs)。当其作为LIBs负极材料时,NSCNTs除了为电荷提供快捷的通道,还能够改善电极的导电性和电化学活性。此外,倍率循环后的TEM也表明Ni3S2/NSCNTs外部的NSCNTs可以很好地维持结构的完整性。因此,在0.5 A g-1下的长循环中,经300次循环其放电比容量能够平稳保持在486.9 mAh g-1,维持了第二圈的84%。在倍率性能中,电流密度为3 A g-1的情况下,Ni3S2/NSCNTs的放电比容量为374.1 mAh g-1,当电流密度从3 A g-1回到0.1 A g-1时,其放电比容量维持在628.0 mAh g-1。(4)以次亚磷酸钠为磷源,离子液体[EMIm]N(CN)2为碳源,分别制备了Ni2P/C和Ni2P/NPC复合材料。通过SEM、TEM等检测发现Ni2P/NPC复合材料中,细小均匀的Ni2P纳米颗粒分散在氮、磷双掺杂的碳骨架上。Ni2P/NPC复合材料具备优异的电化学性能,在0.1 A g-1下经过50次循环表现出381.0 mAh g-1的放电比容量。而对于Ni2P/C,在0.1 A g-1下循环34次之后,其放电比容量就已衰减至336.4 mAh g-1。Ni2P/NPC复合材料更为优异的电化学性能主要归因于以下两点:一方面是N、P掺杂的碳骨架除了能使活性物质与电解质充分接触,提供充足的电荷转移通道,还能够充分缓解嵌脱锂过程中Ni2P的体积波动,维持结构稳定;另一方面,纳米级的Ni2P颗粒自身有利于Li+的传输。
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