锡基硫化物复合负极材料的静电纺丝制备及储钠性能研究

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基于转化反应和合金化反应的锡基硫化物(SnS2和SnS)因其具有高理论比容量的优点,被认为是很有前景的钠离子电池负极材料。然而,Na-Sn合金化反应造成的夸张的体积改变使得纯的锡基硫化物的电化学性能极其糟糕,这也极大的限制了它们在实际中的应用。因此,必须采取有效的措施,以最大限度地减少锡基硫化物的体积效应并改善其电化学性能。为了改善锡基硫化物的电化学性能,本论文中通过简单的静电纺丝法和随后的煅烧合成了SnS2/C和SnS/C纳米纤维复合材料。对SnS2/C和SnS/C纳米纤维复合材料进行了一系列的物理表征并系统地研究了它们的储钠性能。主要工作内容如下:本文首先详细介绍了一种SnS2/C纳米纤维的静电纺丝制备方法。在煅烧过程中,巧妙地利用真空煅烧环境,一步实现了原材料SnCl4的硫化,PVP的碳化及碳的N,S双掺杂。当把这种SnS2与N,S双掺杂的C(SnS2/NSDC)复合纳米纤维用于钠离子电池负极材料,实现了优异的钠离子半电池性能和全电池性能。在半电池中,SnS2/NSDC纳米纤维实现了长的循环寿命和卓越的倍率性能。在500 mA/g电流密度下循环200次后,电池仍然能够保留380.1 mAh/g的比容量。更重要的是,在4000 mA/g的超大电流密度下SnS2/NSDC纳米纤维还能维持310.6 mAh/g的高放电比容量。在钠离子全电池中,也拥有349.8 mAh/g的首次放电比容量且首次库伦效率为96.8%。此外,该全电池的能量输出足以点亮24个2 V的LED灯。卓越的电化学性能表明这种SnS2/NSDC纳米纤维具有极大的实际应用价值。常见的锡基硫化物除了SnS2外,SnS也是一种很有前景的钠离子电池负极材料。通过静电纺丝和随后的煅烧过程合成了一种柔性的SnS/C纳米纤维膜。当直接将其作为自支撑的钠离子电池负极,没有使用集流体,导电剂和粘结剂,实现了优异的储钠性能。在50 mA/g的电流密度下循环100次,SnS/C纳米纤维电极仍然拥有481 mAh/g的放电比容量。不仅如此,SnS/C纳米纤维电极还具有长达500次循环的超长循环寿命。将循环了100次的钠电池拆解,惊奇的发现SnS/C纳米纤维电极仍然维持了它的结构完整性,且SnS/C纳米纤维的纤维形貌几乎没有变化。这便是SnS/C纳米纤维电极具有超长循环寿命最主要的原因。
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