锂离子电池二硫化钼负极材料的研究

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锂离子电池是一种具有极大应用前景的可充电电池,拥有比容量高、循环寿命长、体积轻便等优点。石墨是现在常用的可投入生产的负极材料,理论上它的可逆容量只有372 m A h g-1,能量密度仅为1~10 W h kg-1,无法满足日益增长的能源需求。二硫化钼像石墨烯一样,其结构是层状的,层间距为0.62 nm,理论上二硫化钼的可逆比容量是670 m A h g-1,体积膨胀率比较低(103%),因而受到了广泛的关注。但二硫化钼是一种半导体材料,这使得它的导电性较差。而且在电池工作时容易发生片层结构的堆积。为了解决上述问题,本文分别制备了以葡萄糖为碳源的二硫化钼/碳、以聚吡咯为碳源的二硫化钼/碳两种复合材料,目的是改善它的电化学性能。实验中使用的原料是葡萄糖,方法选用简单一锅水热法结合热处理合成了碳插层的二硫化钼/碳复合材料。因为二硫化钼纳米片间的碳插层,增大了二硫化钼片层的层间距,利于锂离子的扩散;同时无定形碳的较高导电性提高了电极的电导率,也有效缓解二硫化钼片层的堆叠和团聚。研究了反应体系的合理溶剂比以及合理的碳含量,分析了碳含量对Mo S2/C复合电极的物化性能和电化学性能的影响。结果显示,当反应体系的溶剂组成为V乙醇:V水=1:2,碳含量为50 wt%时,Mo S2/C复合材料呈现尺寸为300 nm~350 nm的多级花状结构。当电流密度保持200 m A g-1,经过100次充放电后,该电极仍然拥有762 m A h g-1的容量。当电极在2000 m A g-1的电流密度下工作时,可逆比容量能维持在507.1 m A h g-1的水平。以聚吡咯、钼酸钠、硫脲作为原材料,通过水热法使钼酸钠、硫脲在聚吡咯上原位合成;再经通过热处理,成功制备了多维结构的二硫化钼/碳复合材料。其多维结构改善了复合材料整体的导电性和力学性能,让复合材料在循环时拥有更好的稳定性和倍率性能。通过调节复合材料中的碳含量,优化出了组成最合理的复合材料。充放电测试结果显示,电极在电流密度为200 m A g-1的条件下循环100次,仍然拥有712 m A h g-1的比容量,容量保持率为70.3%。在倍率性能测试中,当电流密度是200 m A g-1时,其比容量为788.4 m A h g-1,当电流密度是2000 m A h g-1时,电极仍拥有597.1 m A h g-1的比容量。
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