二硫化钼电极材料制备及储能特性研究

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随着时代的日益进步,科技的高速发展,人们对便携式电子设备和电汽等电子产品的电容量提出了更高的要求,故而锂离子电池在这些领域的应用得到了高度的关注。电极材料的选择极大地影响着锂离子电池的性能。在过渡金属硫化物中,二硫化钼由于其特殊的储锂机制可以实现较高的电池比容量(669.7 m Ah g-1),但仍存在易发生团聚和循环不稳定性等这些问题需要解决。石墨烯、碳纳米管等碳材料自身的导电性好,电催化作用强等优秀的特征,将二硫化钼同其掺杂在一起能够有效地提高电池的电化学性能。本文的研究对象为二硫化钼,及其与石墨烯、碳纳米管的复合材料。首先了解分析材料的分子信息与结构特点等,在对其电化学性能进行检测分析。本论文主要研究内容如下:(1)以钼酸铵、硫脲和氧化石墨为原料,采用水热法分别制备二硫化钼(Mo S2)和二硫化钼/石墨烯材料(Mo S2/GN)。另外将制备好的二硫化钼和氧化石墨按一定比例配制成溶液通过真空抽滤、加热还原的方法制备出二硫化钼/石墨烯柔性膜材料(Mo S2/GN-F)。Mo S2/GN和Mo S2/GN-F的微观结构均呈现了层状纳米花结构,纳米花表面被薄的石墨烯包覆,整个花簇直径大约为200 nm,二者的相互交织结合形成了一个三维导电网格,有利于电子和锂离子在网格中自由迁移与储存,理论比容量被大大地提高。Mo S2/GN-F膜材料的柔韧性良好,可以反复折叠和随意裁切。作为锂离子电池负极材料,Mo S2/GN-F和Mo S2/GN均表现出较高的电池理论比容量。两个电极在第一次循环充放电时,就分部展现出1148.3 m Ah g-1和920.0 m Ah g-1的放电比容量,比单纯的Mo S2电极分别提高了26.8%和8.6%。(2)为提高二硫化钼和石墨烯片层之间的导电性,在制备二硫化钼-石墨烯复合材料的基础上,同时加入碳纳米管,通过水热法制备了二硫化钼-石墨烯-碳纳米管复合材料(Mo S2/GN/CNT)。在Mo S2/GN/CNT复合材料中形成直径为200-300 nm的被石墨烯层包覆的Mo S2纳米片形成的纳米花状形貌,不规则褶皱的碳纳米管串联其中。电化学性能测试结果显示:在Mo S2/GN/CNT//Li半电池中,Mo S2/GN/CNT电极展现出高的最初放电比容量为1286.9 m Ah g-1,第二、第三周的放电比容量逐渐减小,分别为1244.3 m Ah g-1和1205.2 m Ah g-1。在恒电流密度400 m A g-1下循环100圈后,Mo S2/GN/CNT电极的放电容量基本稳定于802.4 m Ah g-1,在反复的充放电过程中传递出优秀的电化学性能,相比于单纯的Mo S2电极、Mo S2/GN电极,放电容量分别提高了72.5%和25.8%。在Li Co O2//Mo S2/GN/CNT全电池中,在电流密度为100、200、400、800、1600和2000 m A g-1时,Mo S2/GN/CNT电极相对应取得1289.7、1076.9、917.2、797.3、655.7和501.3 m Ah g–1的放电容量。当电流恢复到200 m A g–1时,Mo S2/GN/CNT电极的放电比容量为744.9m Ah g–1,说明Li Co O2//Mo S2/GN/CNT全电池的倍率性能优秀。
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