金属硫基/硒基/氧基化物柔性电极材料制备及储锂/钠性能研究

来源 :浙江师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zty85633278
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锂/钠离子电池(LIBs/SIBs)因其能量密度高、环保、循环寿命长等优点,被广泛应用于便携式电子设备和电动汽车领域。从实际应用考虑,当前的锂离子电池能量密度仍需进一步提升。然而,目前研究的电极仍然存在一些致命的问题,如离子/电子导电率低,稳定性差,倍率性能差等。因此研发具有高能量密度和长循环寿命的新型负极材料迫在眉睫。而电极材料的电化学性能高度依赖于其结构、电导率和与Li/Na的反应特性。因此,在提高电导率同时设计新型结构体系,以提高LIBs/SIBs的性能。不同杂化体系的Fe2O3、Nb2O5、MoS2、MoSe2、Mo2C等负极材料表现出优异的电化学性能,具有潜在的研究价值。此外,随着柔性电子器件市场的不断扩大,探索兼具可逆容量高、循环寿命长的新型柔性电极材料具有重要意义。由碳纤维织成的碳纤维布具有柔韧性好、电导率高等一系列优点,可作为柔性/可穿戴电极基底使用。因此,设计碳布基底类的活性电极材料,以促进其在柔性器件中的发展具有重要意义。本论文主要研究内容如下:(1)通过一步水热法将MoS2纳米片自组装在碳纤维(CC)上得到3D MoS2/CC复合材料。3D MoS2/CC复合材料直接作为LIBs和SIBs的电极,无需粘结剂和添加剂,组装电池。该MoS2/CC电极在存储锂和钠方面具有极高的容量和优异的性能,能有效保证电化学反应动力学。作为LIBs负极材料,MoS2/CC在电流密度为0.1 A g-1,循环100圈后,可逆容量保持在1263 mAh g-1。在2.0 A g-1时,循环100圈后,可逆比容量仍高达838 mAh g-1。用于SIBs负极时,在电流密度为0.1 A g-1,循环100圈后,可逆比容量为515 mAh g-1。MoS2/CC复合电极优异电化学性能归因于:(Ⅰ)网格状CC不仅有效地抑制了充放电过程中类石墨烯MoS2纳米片的团聚,而且有效缓解了Li+/Na+嵌入/脱出过程中MoS2的体积变化,提高了结构稳定性,从而优化电池的循环稳定性。(Ⅱ)CC在没有添加剂条件下,提供了优异的导电性,保证MoS2层之间快速的反应动力学,从而提高可逆比容量和倍率性能。(Ⅲ)三维结构使活性物质和电解液之间充分接触,从而增强Li+/Na+活性,MoS2/CC显示了较高的可逆比容量。此外,所制备的MoS2/CC为无粘结剂电极,不含PVDF和泡沫Ni/Cu集流体,表明MoS2/CC电极作为下一代柔性器件的电极材料具有较大前景。(2)采用一步水热法合成了MoSe2@碳纤维布(MoSe2@CC)复合材料。此复合材料由片状MoSe2组装的纳米花嵌在CC网格上,该材料不需添加有机溶剂和粘结剂,可直接作为LIBs和SIBs的负极使用。实验结果表明,MoSe2@CC复合材料表现优异的存储锂性能,如(在电流密度为0.1,0.2,0.5,1.0,和2.0 A g-1时,循环10圈后可逆比容量分别为1337,1092,952,831和749 mAh g-1,在5.0 A g-1循环1200圈,可逆比容量仍保留638 mAh g-1);作为SIBs负极,MoSe2@CC电极的初始放电比容量为839 mAh g-1,在电流密度为5.0 A g-1循环1000圈后可逆比容量为202 mAh g-1,第二次循环后平均容量衰减仅0.012%。动力学分析结果表明,Li+和Na+的大部分容量贡献来源于赝电容贡献;碳纤维提供多元导电网络,增加了电化学活性位点,有利于电化学性能的提高。(3)通过水热和回流法制备了Nb2O5@GO复合材料,其中Nb2O5纳米粒子镶嵌在石墨烯上,Nb2O5纳米粒子尺寸约为100 nm。在复合材料的结构设计中,石墨烯能够为Nb2O5粒子充放电中的体积膨胀提供一定的缓冲空间,有效地维持Nb2O5粒子的结构稳定性。同时,石墨烯纳米片的三维网状结构能够为Li+/Na+传输提供有效途径。该Nb2O5@GO电极材料在存储锂和钠方面具有极高的容量和优异的倍率性能。用作LIBs的负极时,在电流密度为0.1 A g-1下,循环100圈后,可逆比容量保持在382 mAh g-1;在电流密度为2.0 A g-1时,循环100圈后,可以获得可逆比容量为183 mAh g-1。用作SIBs的负极时,在电流密度为0.1A g-1时,循环100圈后,可逆比容量保持210 mAh g-1。在电流密度为5.0 A g-1,循环1000圈后,Nb2O5@GO锂存储可逆比容量达到了132 mAh g-1;同样条件下钠存储可逆比容量为52 mAh g-1。这种结构设计有效地提高了锂/钠离子电池的电化学性能,是一种具有很大潜能的锂/钠离子电池负极材料。
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