钒基钠离子电池负极材料的制备及性能研究

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锂离子电池(LIBs)是我们日常生活中无处不在的储能设备。但锂储量低、地域分布不均等限制了其应用。钠离子电池(SIBs)因为全球范围内有丰富的钠源以及与LIBs相似的电荷存储机制,从而成为最有前途的替代品。另一方面,钠离子大的半径和较重的摩尔质量导致电极材料的反应动力学缓慢和体积变化显著,所以SIBs的倍率性能较差和不可逆容量损失高。因此,开发适合SIBs的电极材料势在必行。钒基化合物作为一种理论容量高、结构稳定性较好的转换型材料,被认为是具有潜力的负极材料。但钒基化合物也存在一些缺点,比如其在充放电过程中,由于反应动力学缓慢、体积变化大等缺点,钒基化合物的实际应用受到了限制。通过对钒基化合物的电极材料进行改性,可以大大提高电化学性能。本论文以钒基硫化物为研究对象,通过构建异质结构、复合碳材料、构筑纳米结构等改性方法提高其储钠性能,并结合理论模拟计算对钒基硫化物电化学性能提高的原因进行深入研究。通过水热法合成前驱体VBi O4,再进行多巴胺原位聚合包覆,最后经过管式炉硫化得到VS4/Bi2S3@PDA纳米棒异质结构。异质结的构建会形成自建电场,加快电荷的迁移速度,从而增强VS4/Bi2S3@PDA反应动力学,提高倍率性能。表面碳包覆有利于缓解体积变化和增强导电性,提升了循环稳定性和倍率性能。在0.5 A g-1电流密度下循环200次后,VS4/Bi2S3@PDA异质结构可以提供567.4 m Ah g-1的高比容量,而Bi2S3@PDA、VS4@PDA和VS4-Bi2S3@PDA仅分别保持296.5、333.0和378.7 m Ah g-1的比容量。值得一提的是,在2 A g-1的大电流密度下循环1800次,VS4/Bi2S3@PDA电极仍可保持379.0 m Ah g-1的比容量。通过一步水热法合成2D层状堆叠的VS2/Mo S2纳米片异质结构,实验表征和密度泛函理论(DFT)计算表明,设计的VS2/Mo S2异质复合材料由于晶格无序产生的异质界面和异质界面产生的自建电场,表现出优异的Na+储存性能、Na+的反应动力学增强以及电极良好的结构稳定性。因此,与VS2、Mo S2和VS2-Mo S2混合物相比,VS2/Mo S2异质结负极材料表现出优异的综合电化学性能。VS2/Mo S2电极材料拥有优异的倍率性能(在10 A g-1的超高倍率下比容量为644.0 m Ah g-1),0.5A g-1电流密度下循环100次后可逆容量仍可保持在781.9 m Ah g-1以及长循环寿命(在2 A g-1下循环1000次后比容量为454.5 m Ah g-1)。此外,合理设计的异质结构为防止异常的电压失效提供了有效的策略。
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