锂钠离子电池负极用WS2/C复合材料研究

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锂离子电池及钠离子电池作为目前储能领域重要的二次电池,被人们广泛研究。伴随二维材料研究热潮到来,具有二维结构的过渡金属硫化物(TMDCs)成为研究热点,TMDCs中离子金属离子具有价态多样性,作为一种转换型的电池负极材料具有很高的理论比容量。以二硫化钨(WS2)为例,它的晶面间距为6.18?,约0.65-0.7nm,而且晶面间由范德华力连接,在嵌入离子时也存在着插层类负极材料的一些特性,使其在二次电池储能领域具有很大优势。但是在实际的储能研究中,TMDCs存在着导电性差、体积膨胀严重等问题。为了克服这些限制,可以通过加入碳基材料作为复合材料,增加电导率并缓冲充电/放电过程中的体积膨胀。作为导电和保护材料外,碳材料还可以提高锂离子及钠离子电池的比容量和循环寿命。本论文主要研究了对WS2的纳米化和碳材料的复合协同作用,具体工作如下:1、在水热制备WS2的过程中使用表面活性剂调控晶体的生长,制备出一种由纳米线团聚成的微米尺度的纯2H晶型的WS2(2H-WS2)纳米多孔球(WS2 Nano-MS)。WS2 Nano-MS作为锂/钠离子电池负极应用时,都具有较高容量性能(100mAg-1:776.6/374.8mAhg-1;1000mAg-1:472.3/217.2mAhg-1)和较高的循环保持率(81.2/55%;72.8/38.7%)。由此可知纳米结构的WS2对储锂/钠性能有一定提升,但是在大电流密度下和在钠离子电池中的性能较差。2、在纳米化的前提下对WS2 Nano-MS进行优化,引入纳米空心碳球作为2H-WS2的生长碳基底,制备出了一种纳米化的2H-WS2/空心碳球复合电极材料(WS2Nano-HMS)。WS2 Nano-HMS作为锂/钠离子电池负极应用时,都具有较高容量性能(100mAg-1:987/575.2mAhg-1;1000mAg-1:825.5/379mAhg-1)和较高的循环保持率(81.5/76%;64/49.3%)。由此可知纳米空心碳球的引入,提高了电极材料的储锂/钠性能,但是空心碳球在大电流密度下发生不可逆的坍塌导致循环稳定性差。3、在纳米化的前提下引入石墨烯作为2H-WS2的生长碳基底,制备出一种纳米化的2H-WS2/rGO复合电极材料(WS2/rGO Nano-HC)。WS2/rGO Nano-HC作为锂/钠离子电池负极应用时,都具有较高容量性能(100mAg-1:1097/668.5mAhg-1;1000mAg-1:932.8/259mAhg-1)和较高的循环保持率(86.7/78.1%;86/73.2%)。由此可知石墨烯的引入将复合电极材料转换为二维结构,进一步优化了复合电极的电化学性能。
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