过渡金属硫化物基复合材料的合成与储锂性能研究

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伴随着社会的进步以及科技的快速发展,手机、数码相机以及平板电脑等设备的使用量在不断的增加,能源的消耗以及需求量也日趋变大。与此同时,煤、石油等不可再生能源的消耗殆尽,使得能源与环境问题迫在眉睫。对于新型清洁、可再生能源的开发和使用成为解决问题的关键,因此对于能源存储设备和装置的要求也不断提高。在诸多新型的能源储存设备中,锂离子电池(LIBs)因其循环寿命长、能量密度高、环境友好等优势而备受关注,然而目前商业化的石墨负极较低的理论容量(372 mAh g-1)将大大限制锂电池在未来社会中的应用,开发出新型负极材料成为了LIBs的重点研究方向。近些年来,过渡金属硫化物(TMSs)因其具有理论容量高、环境友好、安全性能好等特点成为了极具潜力的LIBs负极材料。然而TMSs作为电池负极材料时,其自身差的导电性以及循环过程中存在着严重的体积效应,使得材料本身的结构稳定性较差,导致电池表现出较差的电化学性能以及循环稳定性,极大地限制了其在实际生活中的应用。为了解决这两个主要问题,我们对TMSs负极材料进行了改性研究,有效地提升了电池的储锂能力和循环稳定性能。主要的改性研究内容如下:(1)利用简单的一步溶剂热反应和冷冻干燥过程制备出Co1-xS-rGO复合材料。我们先通过改进的Hummer法制备出氧化石墨烯(GO),将GO作为原材料和基底材料加入到含有六水合硝酸钴和硫脲的溶液中,通过溶剂热反应GO被还原为rGO且Co1-xS纳米颗粒相对均匀的生长在rGO表面。研究表明,rGO的存在极大地阻碍了Co1-xS纳米颗粒的团聚,有效提升了复合材料的电导率和结构稳定性,使得LIBs表现出了良好的电化学性能。在200 mA g-1电流密度下,充放电循环100圈之后,Co1-xS-rGO复合材料的放电比容量可以达到643 mAh g-1。在1000mA g-1的高电流密度下,该复合材料循环200圈以后放电比容量保持在625 mAh g-1,这已经接近了Co1-xS的理论比容量(683 mAh g-1)。(2)利用两步水热反应成功制备出六角形花状的Co1-xS/MoS2复合材料。首先通过改变反应温度、时间以及溶剂,制备出纯相的花状Co1-xS基底材料,之后再次通过水热反应在其表面原位生长一层MoS2,成功制备出花状的Co1-xS/MoS2复合材料。通过一系列的表征和性能测试表明,Co1-xS/MoS2复合材料相对纯相的Co1-xS和MoS2具有更好的结构稳定性和反应动力学,复合材料也表现出优异的充放电性能、倍率性能以及长循环稳定性。在200 mA g-1的电流密度下进行电化学性能测试时,Co1-xS/MoS2复合材料的初始放电比容量可达到1698 mAh g-1,在循环100圈之后,其放电比容量仍能保持为1033 mAh g-1。即使在1000 mA g-1的电流密度下,其首圈的容量为887 mAh g-1,在经过500次充放电循环之后容量保持为715 mAh g-1
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