FeS2/MnS负极储钠机理研究及性能优化

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为了满足能源可持续发展的要求,急需开发高性能、低成本、绿色的可充电电池系统用于建设智能电网。因资源丰富、成本低、与锂离子电池电化学性质相似等优点,钠离子电池有望在大型储能系统中广泛应用。在过去的十年中,围绕钠离子电池的研究工作取得了一系列显著的成果,但在能量密度、功率密度提升及产业化应用等方面仍存在一些技术壁垒。此外,许多钠离子电池电极材料的储钠机理研究需要继续深入,新型储钠电极材料的开发仍然任重而道远。因比容量高、成本低、安全环保等优点,近年来研究者们深入研究了金属硫化物类负极材料的储钠机理,并提出了各种电化学性能优化思路。此外,开发低成本、可规模化的材料制备工艺,同样是金属硫化物储钠负极实现商业化应用的必要条件。本工作以绿色、低成本、可再生的天然草本植物为原料,通过简单方法制备高载量网状FeS2/碳管/FeS2复合物(FCF)。在少量原生交联碳管网络(FeS2载量高达94.7%wt)的辅助下,FCF表现出高容量(542.2 m A h g-1)、良好的循环稳定性(1000次循环中单圈容量衰减率低于0.005%)和优异的倍率性能(2.0A g-1时比容量为426.2 m A h g-1)。通过物理包覆和化学键合的双重作用,碳管网络有效地将Fe S2纳米颗粒固定在其空腔内部,FCF表现出优异的电化学性能。更重要的是,本研究可以为特殊结构的金属硫化物/碳复合材料提供绿色、低成本的制备方法,促进其在环境友好型储能系统中的商业化应用。本工作以天然生物质为前驱体,采用绿色、简便的方法构筑了蛋卷状MnS/NSCTs。材料制备过程中,显著的毛细管效应实现了MnS颗粒在碳管内的有效封装,从而形成了独特的卷心酥状MnS/C复合物,同时提升了材料的电导率,缩短了电子/离子传输距离。这种MnS/NSCTs表现出比容量高(>550.6 mA h g-1)、倍率性能好(10 A g-1下比容量为319.8 m A h g-1)、寿命长(1400次后容量不衰减)等优点,综合性能在目前已报道的MnS储钠负极中最优。此外,通过多种原位/非原位表征揭示了MnS转换反应型储钠机理。本工作与上一个工作一起验证了一种低成本、可通用的特殊结构硫化物/碳复合物的制备方法。本工作以废弃无纺布为原料,通过简单的高温硫化法原位构筑了MnS/碳布(MnS/CFs)复合物,作为柔性自支撑钠离子电池负极材料。无纺布衍生的碳布可提高电极的导电性和增强电解液浸润,从而提高MnS的循环性能和倍率性能。电化学测试表明,这种柔性自支撑MnS/CFs的初始比容量可达348.7 m A h g-1,循环100周后比容量仍然保持227.9 mA h g-1,容量保持率为65.36%。在5000 mA g-1的大电流密度下,MnS/CFs的比容量依然可达115.0 mA h g-1。这项工作的开展,为废弃无纺布等纺织品的循环利用及柔性自支撑MnS的设计制备提供了新的研究思路,提出了一种可行的MnS/碳布复合物储钠性能优化方案。
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