二硫化钴/碳复合物作为锂离子电池负极材料的制备及其电化学性能的研究

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针对3d过渡金属硫化物CoS2在锂离子电池应用中存在的循环稳定性和倍率性能差等问题,本文通过纳米化和复合化的改性措施,分别制备了CoS2/C、CoS2/3DNC、CoS2/CNTs三种复合材料,显著提升了CoS2电极的储锂性能。主要研究内容如下:(1)以ZIF67为前驱体,通过硫化、碳化同时进行的方法,制备出CoS2/C复合材料。碳基材料的存在抑制了CoS2纳米粒子的团聚,且在充放电过程中缓解了体积应力,有效避免电极粉化问题。同时,氮掺杂的碳材料不仅提高了导电性,同时增加了电极反应活性位点,对CoS2与锂反应过程中的中间相多硫化物有一定的吸附作用。在电流密度0.1 A g-1经过600次循环后,放电比容量达到602.7m Ah g-1,库伦效率达98.92%。(2)以聚乙烯吡络烷酮(PVP)作为聚合物碳源,通过金属盐诱导聚合物吹泡工艺和高温硫化策略,设计了一种由CoS2纳米晶体和三维氮掺杂碳(3DNC)组成的CoS2/3DNC复合结构。10-20 nm的CoS2纳米晶体的形成主要取决于碳基体的空间约束效应,且三维结构增加了比表面积和反应活性位点,为锂离子以及电子的扩散迁移提供了快速通道。在0.1 A g-1经200次循环后放电比容量仍保持在500.7 m Ah g-1。同时也表现出较好的倍率性能(在1 A g-1的电流密度下具有227.2m Ah g-1的比容量)。(3)以ZIF-67作为前驱体,通过高温碳化和硫化两步处理后制备得到CoS2/CNTs复合材料。其中,第一步碳化则是利用高温下金属Co的催化作用,制备出Co/CNTs的中间产物。随后,通过硫化将CoS2纳米颗粒封装在氮掺杂的碳纳米管的尖端部位,碳纳米管抑制了CoS2纳米颗粒的团聚,调节转换反应中引起的体积变化,保持结构的完整性;同时,CoS2纳米颗粒缩短了离子/电子的扩散距离,促进离子/电子转移。CoS2/CNTs复合材料在储锂方面具有优异的稳定性。在电流密度0.1 A g-1下进行400次循环后,放电比容量保持在381.8 m Ah g-1,库伦效率高达99.01%。同时,也表现出了稳定的倍率性能(电流密度为2 A g-1时,保持210 m Ah g-1的比容量)。
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