基于MoS2的锂离子电池负极材料的制备及其电化学性能

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过渡金属二硫化钼(Mo S2)由于具有独特的二维(2D)层状结构以及较高的理论比容量(669 mAh g-1),成为锂离子电池负极材料的研究热点。但是二维Mo S2纳米片比表面积大、表面能高,易发生团聚,且在脱嵌锂过程中发生剧烈的体积变化,导致结构不稳定。解决方法之一是将MoS2与结构稳定的基体材料(如TiO2)进行复合,缓解Mo S2材料体积变化大和结构稳定性差的问题。此外,将Mo S2纳米片组装为三维(3D)分级结构也可以有效抑制纳米片的团聚。同时,作为半导体,Mo S2存在着本征电导率低的问题,致使循环稳定性及倍率性能较差,有效的解决方法是将其与导电性好的C材料进行复合。本论文以钼酸钠、硫脲、葡萄糖为反应原料,通过一步化学气相沉积法(CVD)制备了单层Mo S2纳米片和C同时改性的TiO2纳米复合材料(Mo S2-C@TiO2),探究了制备参数对Mo S2-C@TiO2纳米复合材料形貌与结构的影响,探讨了复合材料的合成机制,并测试了其作为锂离子电池负极材料的电化学性能。研究结果表明:在1 C(1 C=167 mA g-1)的大电流密度下进行300次充放电后容量仍能保持160 mAh g-1,显示出Mo S2-C@TiO2纳米复合材料具备良好的循环稳定性和结构稳定性。此外,以CS2为软模板及硫源,以PVP为碳源及表面活性剂,采用简单的一步水热法制备分级中空多孔花状Mo S2/C纳米复合材料(Mo S2/C-HPF)。Mo S2/C-HPF复合材料在0.1 A g-1的电流密度下充放电220次后仍能保持954mAh g-1的高比容量,容量保持率高达98%,显示出优异的循环稳定性。主要归因于结构优势以及Mo S2/C的协同效应:MoS2的中空多孔结构有利于缓解复合材料在充放电过程中的体积变化、缩短锂离子扩散路径、有利于电解液快速浸润;C材料提高了复合材料整体的导电性,加速电子在材料中的传输速率。为了进一步提高该复合材料的倍率性能,引入碳纳米管(CNTs)对其进行改性。结果表明,经CNTs改性后的Mo S2/C-HPF复合材料在0.1,0.2,0.5,1和2 A g-1的电流密度下进行充放电10次后分别保持693,621,539,478和422 mAh g-1的容量,主要归因于CNTs的引入联结了Mo S2纳米花簇,有效增加了电子传输通道,缩短了电子传输距离。
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