锂离子电池MoS2/碳复合负极材料的制备及其电化学性能

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二硫化钼具有较高的电化学理论容量以及较好的安全性能,有望替代石墨成为锂离子电池新一代的负极材料。然而,二硫化钼的层状堆叠结构,在锂离子多次嵌入/脱出过程中容易产生体积变化,从而影响其电化学性能。解决这个问题的一种途径,是制备类石墨烯结构的二硫化钼,分散(或复合)于高导电的其他载体表面后,可以避免二硫化钼的二次聚集,从而获得更为优异的电化学性能。基于此,本文相关研究的主要内容有:1、以硫代钼酸铵作为钼源、硫源,或以钼酸钠、硫脲作为钼源、硫源,分别以有序介孔碳为载体,水热合成制备MoS2/有序介孔碳复合负极材料。实验结果表明,所得复合负极材料的电化学性能均较块状MoS2有明显提升。比较而言,以硫代钼酸铵为前驱体所得的MoS2/有序介孔碳复合材料的性能,不如以钼酸钠和硫脲为前驱体制备的MoS2/有序介孔碳复合后的性能,其中原因可能是前者的MoS2没有均匀的分散在介孔碳表面,而后者由于MoS2均匀的分散在介孔碳上,可以有效防止MoS2在充放电过程中的聚集,并且可以缓冲嵌脱锂时的体积变化,从而极大地提高复合材料的循环性能。2、分别以钼酸钠、硫脲为钼源、硫源,水热制备MoS2/掺氮的有序介孔碳复合材料。实验结果显示,氮掺杂后的有序介孔碳作为载体与MoS2复合后的电化学性能有明显提升,其不可逆容量随氮含量的增加而增大,当氮含量为5%时,复合负极材料在100mA/g的电流密度下经过50个循环仍有951mAh/g的容量。3、以硫代钼酸铵或以钼酸钠、硫脲作为钼源、硫源,或以钼酸钠、L-半胱氨酸为钼、硫前驱体,并分别以还原后的氧化石墨烯为载体,水热合成制备了MoS2/石墨烯复合材料。实验结果表明以硫代钼酸铵为前驱体的二硫化钼在与石墨烯复合后的性能不够理想,以钼酸钠和硫脲为前驱体制备的复合负极材料的电化学性能有明显改善,而以钼酸钠、L-半胱氨酸为前驱体的复合材料的电化学性最优。可能是由于在液相反应过程中,L-半胱氨酸形成的聚合物网络结构,有利于MoS2二维层状结构的形成,从而使复合材料的电化学循环性能获得提升。4、在水热合成MoS2/石墨烯复合材料过程中研究聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)对MoS2分散性的影响。实验结果显示,PVP的添加对MoS2的形貌及其性能有较大的影响。随着PVP添加量的增加,在XRD图谱中代表MoS2层堆积的(002)峰逐渐消失,说明MoS2由块状的片层堆积结构转变为纳米薄片结构。显然,如此的纳米片层结构缩短了MoS2中锂离子嵌入/脱出的路径,使其具有更高的容量、循环性能和倍率性能。但过多的PVP对于复合材料的性能并无提升,甚至可能劣化其电化学性能。
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