高容量锑基纳米复合材料的制备及其储钠性能研究

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纳米材料在太阳能电池、锂离子电池、钠离子电池、光催化等领域得到广泛的研究。锂离子电池由于金属锂的开采难度大和稀少等缺点阻碍了其发展。然而地壳中的钠元素储量丰富、开采难度小,加上和锂位于同一主族且具有相似的化学性质,所以许多研究人员把钠离子电池看作可再生资源储存应用的一个替代品,在未来会有更好的竞争优势。传统的石墨负极材料因层间距较小不能满足钠离子的嵌入和脱出,因此寻找优异的负极材料成为目前钠离子电池研究的重点。锑基纳米材料(Sb2S3、Na Sb(OH)6、Na Sb S2、Sb2S5)作为纳米半导体材料的重要代表,具有较高的理论比容量,对其研究并作为钠离子电池负极材料的应用有着重要的价值。本文对合成材料的形貌和结构入手,将制备好的材料作为钠离子电池负极材料研究其电化学性能,主要研究的内容如下:(1)Sb2S3、Sb2S3/C纳米棒的制备及性能研究:以三氯化锑(Sb Cl3)和九水硫化钠(Na2S·9H2O)为原料,聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为表面活性剂,乙二醇为辅助溶剂,在反应温度为200℃的条件下,时间为12 h时,采用溶剂热法成功的制备了一维直径为80~190 nm,长度约为40μm的Sb2S3、Sb2S3/C纳米棒状结构。讨论了表面活性剂的不同含量和反应时间对产物的形貌及性能影响,研究产物形成机理。将Sb2S3/C纳米棒复合材料作为钠离子电池负极材料时,表现出优异的储钠性能。在电流密度为0.2 A/g的条件下,第一次放电比容量为1019.2m Ah/g,50圈循环后,容量保持在566.8 m Ah/g,当电流密度提高为0.5 A/g时,100圈循环后,容量保持在480.4 m Ah/g。(2)Na Sb(OH)6/Na Sb S2纳米颗粒的制备及性能研究:以三氯化锑(Sb Cl3)、九水硫化钠(Na2S·9H2O)和尿素为原料,乙醇为溶剂,反应温度为140℃,时间为10 h,采用了溶剂热法成功的制备了Na Sb(OH)6/Na Sb S2纳米颗粒。讨论了尿素的不同含量对其形貌、结构和电化学性能的影响。电池测试得出加入2.0 g尿素条件下所制备的Na Sb(OH)6/Na Sb S2性能最好,在0.2 A/g的电流密度条件下,第一次放电比容量为1135.2 m Ah/g,100圈循环后,容量保持在437.1 m Ah/g,当电流密度提高1 A/g时,100次循环后,容量还保持在440.8 m Ah/g。(3)Sb2S5、Sb2S5/CNTS纳米材料的制备及性能研究:以五氧化二锑、硫化按溶液、酒石酸为原料,以浓盐酸和水为溶剂,在油浴温度为100℃的条件下制备了Sb2S5纳米颗粒结构。为了探索合成材料的最优成分比,本文讨论了溶剂含量和五氧化二锑含量对Sb2S5纳米颗粒形貌和性能的影响,研究Sb2S5纳米颗粒的储钠机理。为了提高材料的电导率和材料的稳定性,对Sb2S5进行碳纳米管复合,通过改变不同碳纳米管含量研究其对复合材料的形貌和电化学性能影响。在电流密度为1 A/g的条件下,Sb2S5/CNTS复合材料的第一圈放电比容量能达到1004.0 m Ah/g,100圈后,容量保持在387.8 m Ah/g,当电流密度提高为2 A/g时,100圈循环后,容量保持在396.3 m Ah/g。
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