锡基硫化物/石墨烯复合材料的储能机理及其电化学性能研究

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近年来,由于钾资源储量丰富且分布广泛,钾离子电池在大规模储能上的应用受到了研究人员的关注。目前对于钾离子电池的研究尚处于初始阶段,碳材料的比容量较低,像石墨的理论容量只有279 mAh g-1。报道的转化类和合金类材料虽然拥有大的比容量,但其差的循环稳定性和高的放电电压区间限制了他们的进一步发展,而且一些材料的储能机理尚不清楚。因此,本文旨在通过低温溶剂热一步法制备锡基硫化物/石墨烯复合材料,通过一些列表征探究了其储能机理及电化学性能,这对未来钾离子电池负极材料的发展具有借鉴及指导作用。本论文的主要研究内容如下:(1)本论文通过简易低温溶剂热法制备了纯的SnS2及SnS2@rGO-x复合材料,分析了不同石墨烯含量对SnS2@rGO-x的形貌及电化学性能的影响,并通过非原位XRD、TEM和XPS对SnS2的储能机理进行了研究。实验结果表明,通过控制石墨烯的相对含量可以调控SnS2的层数和形貌,SnS2@rGO-2作为钾离子电池负极材料呈现出了高的可逆比容量,优异的倍率性能和好的循环稳定性。在50 mA g-1的电流密度下可逆比容量为448 mAh g-1,100次循环后仍有400 mAh g-1的容量。在1 A g-1的高电流密度下可逆比容量为247 mAh g-1,300次循环后容量保持率为73%。电化学分析表明钾离子在SnS2@rGO-2中的扩散最快且SnS2@rGO-2有高的表面赝电容储能。对其储能机理的分析表明在放电过程中SnS2经历了转化反应和两步合金化反应,放电的最终产物为KSn和Na2S且转化反应是部分可逆的。(2)本论文通过简易低温溶剂热法制备了非晶SnxMo(1-x)/2S@rGO复合材料并研究了其电化学性能,为非晶材料的合成及对锡基材料的优化提供了新的观点。非晶材料的各向同性的性质使其离子扩散速率要大于与之对应的结晶材料,而且有利于缓解循环过程中的体积膨胀问题。本实验通过XRD、TEM、XPS等测试对SnxMo(1-x)/2S@rGO的物理性质进行了表征。SnxMo(1-x)/2S@rGO-2作为钾离子电池负极材料呈现出了高的可逆比容量,优异的倍率性能和好的循环稳定性。在50 mA g-1的电流密度下可逆比容量为342mAh g-1,50次循环后仍有310 mAh g-1的容量,容量保持率为90.6%。
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