铁基和锡基硫化物/碳复合材料的制备及其在钠离子电池负极中的应用

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铁基和锡基硫化物材料由于具有丰富的资源及高的理论容量成为极具发展潜力和应用前景的新型钠离子电池负极材料。但是铁基和锡基硫化物材料普遍存在充放电过程中体积膨胀较大及导电性差等问题,限制了铁基和锡基硫化物材料在钠离子电池领域中的应用。将铁基和锡基硫化物与碳材料复合制备纳米化铁基和锡基硫化物/碳复合材料能有效地改善材料作为钠离子电池负极的电化学性能。本论文以FeS2和SnS为研究对象,采用简易、温和的溶剂热法将FeS2或SnS与CNTs和rGO等碳材料复合,制备了一系列的FeS2/碳材料、SnS/碳材料复合材料,改善材料的电化学性能。本论文主要做了如下几方面的工作:采用溶剂热法制备出了具有良好结晶性的立方相FeS2球,直径1-5μm。研究了NaSO3CF3/DGM和NaClO4/EC-DEC两种电解液对Na/FeS2电池电化学性能的影响。电化学性能表明:采用NaSO3CF3/DGM电解液可显著提高电池的循环稳定性,在50 mA g-1的电流下循环50圈后电池容量保持在350 mAh g-1,是采用NaClO4/EC-DEC电解液时Na/FeS2电池容量的7倍。在确定采用NaSO3CF3/DGM电解液更有利于优化Na/FeS2电池循环稳定性的基础上,我们采用溶剂热法进一步将FeS2和CNTs复合,通过调控FeS2和CNTs的质量比,制备出了FeS2颗粒均匀分散在CNTs骨架上的类似于神经网络结构的FeS2/CNTs复合材料,其中FeS2颗粒尺寸仅有200 nm。该FeS2/CNTs复合材料表现出优异的循环稳定性,在1 A g-1的电流密度下循环1000圈后该电极容量仍保持在300 mA h g-1,是纯FeS2材料电极容量的2倍。该FeS2/CNTs复合材料的电化学性能的明显提高主要是由于其具有的神经网络结构,该神经网络结构缓冲了FeS2在充放电过程的体积膨胀,另外该网络结构具有较大的比表面积、较高的导电性及较小的FeS2颗粒,提高了电解液对材料的浸润性、电荷转移速率同时缩短了Na+的扩散距离。采用溶剂热法通过调节FeS2和rGO的比例,制备出了一系列的FeS2/rGO复合材料,通过调控FeS2和rGO的质量比,制备出了具有蜂窝状结构的FeS2/rGO复合材料。该复合材料表现出优异的高倍率循环性能,在电流密度为25 A g-1时,循环2500圈后该电极容量仍有200 mA h g-1左右,是纯FeS2材料电极容量的4倍。该FeS2/rGO复合材料具有高的电化学性能主要是由于其独特的蜂窝状结构,该蜂窝状结构提高了材料的导电性,同时缓冲了FeS2在充放电过程的体积膨胀,保持了其在快速充放电过程中的结构稳定性。采用溶剂热法一步制备出SnS/CNTs复合材料,该复合材料中Sn S纳米颗粒分散在CNTs表面,其中SnS颗粒尺寸10 nm。SnS/CNTs复合材料电极在电流密度为50 mA g-1时,经过50圈循环后,该复合材料电极的容量仍保持在365 mA h g-1,是纯SnS电极容量的3倍。SnS/CNTs复合材料之所以能表现出优异的电化学性能,主要是由添加的CNTs不仅起到柔性、导电支撑的作用,还起到位阻的作用以减小SnS颗粒尺寸同时促进SnS颗粒分散,提高了材料的比表面积及导电性,缩短了Na+的扩散距离,同时缓冲了SnS在充放电过程中的体积膨胀,保持了材料在充电放电过程中的结构稳定。
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