钼硫簇合物一体化复合负极的制备及其在锂离子电池中的应用

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针对当前世界面临的能源危机以及随之而产生的环境问题,开发和利用可再生清洁能源以替代化石燃料已经迫在眉睫。由于太阳能、风能和地热能等可再生清洁能源固有间歇性的特点,因此开发与之匹配的电化学储能设备保证其稳定的大规模存储和利用具有重要的意义。锂离子电池凭借其高能量密度备受关注,但传统的碳基材料由于表面储能机理的限制,理论比容量较低,难以满足实际对电池不断提高的要求。由于电极材料对锂离子电池的服役性能具有决定性的作用,因此设计和开发新型锂离子电池电极材料对于提升锂离子电池的整体性能尤为重要。与传统的过渡金属氧化物相比,过渡金属硫化物具有更高的理论比容量和更小的体积膨胀率,有望替代碳基材料和传统过渡金属氧化物成为新一代的锂离子电池负极材料。另外,一体化复合电极可以解决传统涂覆电极界面电阻高、活性材料利用率低等问题,极大地改善了材料的导电性能和循环稳定性能。本论文主要以钼硫簇合物为研究对象,通过简易快捷的负载技术制备一体化复合电极。利用一系列表征测试手段探究了电极材料的组成、形貌、结构,并用作锂离子电池负极进行性能测试,进一步研究了组成和结构与性能之间的关系。为设计开发高性能锂离子电池负极材料、推动钼硫簇合物在储能方面的应用提供了新方法和新思路。本论文主要研究内容如下:(1)通过水热法在商用泡沫镍表面原位生长非晶Ni Mo3S13超薄纳米片,得到Ni Mo3S13/NF一体化复合电极。得益于非晶态钼硫簇独特的结构和超薄纳米片形貌,该材料具有优异的可逆比容量和循环稳定性。Ni Mo3S13/NF复合电极在0.6 A/g的电流密度下,可逆比容量高达1659 m Ah/g;当电流密度提高到10 A/g时,可逆比容量仍维持在1193 m Ah/g,循环1000圈后容量没有明显衰减,库伦效率接近100%。(2)在通过合金-去合金化制得的三维纳米多孔镍集流体表面利用原位脉冲电化学沉积Mo3S13,得到超薄纳米片状(NH4)xMo3S13/p-Ni一体化复合电极。三维纳米多孔镍集流体提高了材料整体的导电性、利用率和稳定性;钼硫簇纳米片的高比表面积有利于锂离子的快速插入和脱出,使得复合电极在大电流密度下依然具有很高的可逆比容量。(NH4)xMo3S13/p-Ni复合电极在0.5 A/g的电流密度下,可逆比容量高达1464 m Ah/g;当电流密度提高到16 A/g时,可逆比容量仍能保持在约1200 m Ah/g,在2 A/g的电流密度下循环400圈容量没有明显衰减。
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