过渡金属硫化物/碳纳米复合材料的制备及锂/钠离子电池的性能研究

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力离子电池是一种高效便捷的电能存储设备,由于具有高能量密度、长循环寿命和环保等优点受到了社会各领域的广泛关注。但是,金属锂资源非常有限、分布不均而且价格不断飞涨,限制了锂离子电池在储能领域的进一步发展。金属钠作为锂的同族元素,与锂有相似的物化性质,在地球上的储量较丰富并且价格便宜。因此,近年来,钠离子电池也渐渐引起了研究者们的兴趣。目前商业化的石墨碳作为锂离子电池负极存在着比容量低等缺点,无法满足当今社会对清洁环保、便捷、高效的新型能源的迫切需求,因此开发具有优异性能的锂/钠离子电池负极材料至关重要。过渡金属硫化物作为一种新型负极材料,具有理论比容量高、导电性良好和价格便宜等优点,因而有着很好的发展前景。本论文成功制备了一系列过渡金属硫化物/碳纳米复合材料,并对其进行形貌、结构、组成等方面的表征;然后将这些纳米复合材料作为负极组装成锂/钠离子电池,研究其储锂/钠性能。本文主要研究内容如下:1.通过将氧掺杂硫缺陷WS2纳米片和导电碳载体N,S共掺杂石墨烯进行复合,制备得到氧掺杂硫缺陷WS2/N,S共掺杂石墨烯纳米复合物(O-DS-WS2/NSG),并证明了在组成、结构和掺杂缺陷的协同作用下极大地提高了活性材料的储锂性能。这种独特的结构不仅增加了电化学过程中的储锂活性位点,加快了离子/电子传输动力学,而且缓解了充放电过程中的体积膨胀效应。此外,表面缺陷和杂原子的结合可以有效地调节电子结构,提高材料的本征导电性并提供更多的活性位点。基于以上优势,当O-DS-WS2/NSG纳米复合材料作为锂离子电池负极材料时,具有较高的比容量、优异的倍率性能以及循环稳定性。特别是在0.5 A g-1的电流密度下,循环300次后,可逆比容量依然可保持在721.2 mAh g-1。2.以苯胺为氮源、NH4HB4O7·3H2O为硼源、C3H7NO2S为硫源通过简单的一步煅烧法成功地合成了氮、硼、硫-三掺杂石墨烯(NBSG),当作为负极材料用于锂/钠离子电池时均显示出了高的比容量、出色的倍率性能以及稳定的循环性能。当用作锂离子电池负极材料时,在0.1 Ag-1的电流密度下,NBSG的初始放电/充电比容量分别可达到1715.6 mAh g-1和1068.3 mAh g-1并且在循环了 100圈之后,可逆比容量仍然保持在922.4mAh g-1,容量损失仅为12%;当用作钠离子电池负极材料,电流密度为0.1Ag-1时,经过100次循环后,可保持403.8 mAh g-1的可逆比容量。优异的电化学储锂和储钠性能主要归因于杂原子的引入以及掺杂原子之间的协同作用:即增强了材料的电导率,增加了材料的层间间距并且产生的碳缺陷为锂/钠离子的存储提供了更多的存储位点/吸附位点/活性位点。3.通过水热法得到前驱体h-Co(OH)2-MOF-74,然后用P粉和S粉的混合物在Ar气氛中对前驱体h-Co(OH)2-MOF-74同时进行磷/硫化处理,得到具有空心多孔结构的纳米复合材料h-Co9S8/C oP/C。通过XRD、Raman、SEM、TEM和XPS表征分析以确定纳米复合物的组成和结构。将所得到的h-Co9S8/CoP/C组装成钠离子电池进行电化学性能测试,测定结果表明纳米复合物具有良好的储钠性能:极高的比容量、优异的倍率性能(其充电比容量在电流密度为0.1和1.6 Ag-1时分别可达557.2和156.3 mAh g-1)以及好的循环稳定性。h-Co9S8/CoP/C杰出的电化学储钠行为主要归因于其独特的结构和组成。特别是中空空心结构不仅可以提供更多的空间缓解钠离子重复嵌入和脱出过程造成的体积膨胀效应,而且可以缩短离子/电荷扩散途径,加快反应动力学。
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