金属氧/硫化物负极材料的制备及其电化学性能研究

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近年来,锂离子电池技术发展迅猛,在众多领域得到应用并被逐步推广到电动汽车的能源系统中,这也对电池的性能提出了更高的要求。目前商业化的锂离子电池负极材料主要为石墨材料,其较低的理论容量已不满足日益增长的高功率高能量密度的需求,因此寻求更佳的负极材料迫在眉睫。同时,随着锂离子电池市场规模的扩大,锂资源短缺的问题凸显。金属钠与锂属同主族元素,具有相似的化学性质,这使得成熟的锂离子电池技术可以方便地移植到钠离子电池中,降低开发成本。且钠资源丰富,价格低,可以大规模开发与利用。因此,钠离子电池被视为下一代锂离子电池的替代电池。金属氧/硫化物作为转化反应机制类的负极材料有着较高的理论比容量,可作为新一代锂/钠二次电池的后备负极材料,备受研究者青睐。然而,较差的导电性、循环过程中较大的体积膨胀以及制备过程的复杂性等问题,限制了金属氧/硫化物负极材料的发展。因此,本论文基于以上问题,设计简单易行的实验方法,合成了具有微纳结构的碳复合金属氧/硫化物,并研究了其锂/钠存储性能。具体研究内容如下:(1)基于金属有机骨架(MOF)的特殊结构和多孔性,将Ti-MOF作为模板剂分散在Fe Cl3溶液中,在一定温度下简单搅拌至溶剂挥发后高温煅烧,获得Fe-Ti-O@C复合材料。使用MOF前驱体合成了碳负载的Fe-Ti-O复合材料,该材料不但结合了Fe Ti O3和Fe3O4材料的优势,而且MOF在煅烧过程中原位产生碳材料提高了活性材料的导电性,使材料表现了良好的电化学储锂性能。该材料在200 m A g-1的放电倍率下,循环160圈后,容量表现为988 m Ah g-1。即使在电流密度达到1000 m A g-1的放电倍率下,循环800次后,容量仍可保持在936m Ah g-1。(2)针对金属硫化物制备过程较繁琐的问题,探究了金属硫化物的一种简单的制备方法。使用二茂铁和升华硫为原料,通过一步煅烧法原位合成了碳负载的Fe7S8复合材料。通过调控二茂铁与硫粉的比例,控制产物形貌,并探究最佳原料比例,获得了具有优异电化学性能的储锂/钠负极材料。在储锂性能方面,当电流密度为100 m A g-1时,经过100次循环后的可逆容量仍为1042 m Ah g-1,即使在电流密度为5000 m A g-1的放电倍率下,容量依然保持在584 m Ah g-1;在储钠性能方面,在500 m A g-1的电流密度下,经过500次循环后的可逆容量可达到370 m Ah g-1。与其它Fe7S8负极材料相比,这种合成方法一步合成,无需繁琐的步骤,所得材料显示了良好的循环性及倍率性能。
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