金属硫化物/碳纳米复合材料的制备、表征及其电化学性能研究

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电极材料是整个电池体系的重要组成部分,其电化学性能的好坏将直接影响到电池的整体性能。新型电极材料不仅需要具备良好的综合电化学性能,例如良好的循环稳定性、高比容量和优异的倍率性能等,同时还要求具有成本低廉、广泛易得、能满足人们不断提高的使用要求等特点。金属硫化物因其高理论比容量和成本低廉的特点,是目前广泛研究的一类离子电池电极材料。但由于金属硫化物存在低电导率、明显的体积效应和利用率低等问题,限制了其在二次离子电池中的实际应用。本论文针对不同金属硫化物的特点,利用不同的设计思路制备了两种金属硫化物与碳材料的新型复合材料,结果表明,这两种离子电池电极材料分别在储锂和储钠过程中表现出良好的电化学特性。主要研究结果如下:
  1.设计并制备了一种蚀刻多壁碳纳米管(H-O-CNTs)和ZnS纳米颗粒相结合的新型纳米复合材料(ZnS-CNTs)用于锂离子的储存。在空气中高温蚀刻碳纳米管以在其表面获取众多小孔缺陷,为ZnS纳米颗粒的生长提供相应的吸附位点。ZnS-CNTs复合材料在5A/g的高电流密度下1200次循环后,表现出451.3mAh/g的高可逆容量,以及出色的倍率性能(在8A/g电流密度下容量为377.8mAh/g)。同时,ZnS-CNTs电极在锂离子的可逆反应过程中表现出良好的比容量恢复性能,使得电极在长期循环实验中表现出较优异的稳定性;不同循环周期后ZnS-CNTs电极材料的SEM图像分析表明,随着循环次数的增加,ZnS纳米颗粒和CNTs逐渐融合在一起,这不仅有效缓解了ZnS在充放电循环中因体积变化对材料结构的破坏,而且由于其电化学反应面积的增加,使得电极材料的比容量大大提高。
  2.MoS2/C复合材料被认为可能是一类重要的钠离子电池负极材料。通过有效地利用MoS2和碳材料的各自优势制备钠离子电池负极材料是一个具有挑战且很意义的工作。以纤维素纳米晶体(CNCs)作为低成本绿色碳源与MoS2复合,设计并制备出了一种新颖的MoS2-C复合材料。采用水热反应和随后热解过程,使CNCs的预碳化和MoS2的结晶形成同步进行,成功地合成了由超薄MoS2-C纳米片构成的三维立体纳米复合材料。超薄MoS2-C纳米片由CNCs衍生的短程有序碳和少层MoS2构成,这种MoS2和CNCs衍生碳的独特结构以及稳健的的结合方式,作为钠离子电池负极材料呈现出优异的循环稳定性和倍率性能,并在全电池测试中具有较高的首次可逆比容量(397.9 mAh/g)。这项工作为制备可用于大规模储能系统且具有优异电化学性能的MoS2-C复合材料提供了一条有效途径。
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