金属硫化物在锂硫电池正极材料中的应用

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本文基于目前锂硫电池正极材料所存在的不足出发,发展了将金属硫化物应用到锂硫电池正极材料的方法。一方面,采用简单的方法构筑了金属硫化物和硫的纳米复合材料。另一方面,探究了其在锂硫电池上的电化学性能及其化学原理。与此同时,本文中的合成方法简单,原料价格低廉,这为进一步地发展锂硫电池提供了新的思考方向及路线。具体而言,本论文的研究内容主要包括如下几个方面:1.采用了一种简单可行的“熔融-扩散-反应”方法,成功构筑了具有纳米结构的复合材料S/NiS2-C。在该结构中,NiS2纳米颗粒均匀地被固定在碳骨架上,而硫则附着在由NiS2和C形成的结构当中。由于复合材料的制备过程与NiS2的形成过程是同时进行的,因此各组分的分布更为均匀。在此复合材料中,NiS2扮演着不同的角色。一方面,NiS2由于其化学极性能够给同样具有极性的多硫化物中间体提供强大的吸附作用,从而使得锂硫电池循环过程中的多硫化物中间体能够更好地被固定在电池正极附近,进而提升其循环性能;另一方面,由于黄铁矿型化合物对于多硫化物的转化具有较好的催化活性,因此NiS2能够促进多硫化物的转化,从而提升电池的倍率性能。此外,本文对NiS2和多硫化物(Li2S4)之间的吸附作用进行了理论计算,获得了二者之间的吸附作用。最后,电化学性能测试显示S/NiS2-C电极在0.5 C下经过200圈充放电后能保持730mAhg-1的比容量,在2C的电流密度下经过500个圈后能保持544 mAh g-1的比容量。2.由金属锡粉、硫粉和多孔碳材料出发,分别采用盐焗法和真空封管法制备了SnO2/S/C和SnS2/S/C复合材料。在各自结构中,SnO2或SnS2都能利用其化学极性对锂硫电池充放电过程中的极性中间体多硫化物提供较强的化学吸附作用,而多孔碳则能提供物理吸附作用并且提供材料的导电性。与此同时,借助于理论计算的方法分别获得了 SnO2和SnS2对于多硫化物的吸附作用大小,并通过与文献报道结果进行了比较,初步预测出两个复合材料中电化学性能较好的一个。此外,从实验角度出发,进一步对比了 SnO2/S/C电极和SnS2/S/C电极在小电流密度下的电化学循环性能。其中,在0.5 C下300圈后硫含量为78%的SnS2/S/C电极,比容量仍然能够保持780mAhg-1,并测试了SnS2/S/C电极在不同电流密度下的电化学性能。最后,为了进一步将本部分的材料推广,通过与经过预锂化处理后的Ge-C负极匹配,成功组装了SnS2/S/C-Ge/C全电池,且其具有良好的循环稳定性。在0.5 C下50圈后,比容量仍能够保持613 mAh g-1
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