金属氮化钒限硫载体的形貌调控及储能机制研究

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锂硫电池具有高理论比容量、高能量密度、低成本、环境友好等优点,被认为是下一代高能量储存系统最有发展前景的能源解决方案。然而,由于硫及生成的中间产物(Li2S,Li2S2)的低电导率、高溶解性,导致硫利用率低、循环寿命以及倍率性能差,阻碍了锂硫电池的实际应用。本文选用过渡金属氮化物中的氮化钒(VN)作为限硫载体对硫正极材料进行改进,采用水热法和氮化法制备了不同形貌的多孔VN,并成功制备出了新型多孔叠层VN网络纳米结构。VN具有高电导率,强化学限硫能力,高催化活性等优异性质,同时多孔叠层VN结构更表现出的堆积密度,能够容纳更多的硫,从而使锂硫电池表现出优异的长寿命和高倍率性能。具体研究内容如下:1.首先采用水热法,通过调控水热时间,pH值以及模板的影响,探究水热过程对氧化钒(VOx)形貌的影响,接着通过高温氮化法,制备了纳米线/带,纳米片以及叠层纳米结构的多孔VN,最后通过熔融扩散法制备出不同形貌S@VN纳米结构复合材料。该复合材料具有很好的限制多硫化物穿梭的能力,且具有丰富孔隙结构,能够有效缓冲硫体积膨胀,提升硫的负载量。通过电化学测试发现,初步得到的多孔叠层VN表现出优于其他形貌结构的电化学性能,在电流密度为1675 mA g-1(1 C)时,200次循环后比容量达到526.5 mA h g-1。2.为了优化多孔叠层VN的孔隙大小及其作为锂硫电池正极限硫载体的电化学性能,通过调控氮化反应温度和时间,对比分析得到电化学性能最优的氮化条件,并进一步深入探究其反应机理及其与多硫化物的化学作用。通过探究优化,在600℃下氮化2 h得到的多孔叠层VN能充分发挥其吸附多硫化物,限制多硫化物穿梭效应以及提高催化转化速率等作用,使得锂硫电池展现出优异的循环寿命和倍率性能,在电流密度为3350 mA g-1(2 C)时,200次循环后可逆比容量达到629.6 mA h g-1,甚至在电流密度为8375 mA g-1(5 C)和16750 mA g-1(10 C)时,在1000次的长循环后,可逆比容量仍可保持在381.8 mA h g-1和344.3 mA h g-1,每个循环的容量衰减率仅仅分别为0.12%和0.11%。
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