MoS2@SnO2复合材料的制备及其在锂硫电池中的性能研究

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可充电锂硫(Li-S)电池具有高的理论比能量密度(2600 Wh kg-1)、环境友好性和低硫成本等众多优点因而引起了研究者的广泛关注。但是,Li-S电池的实用化进程受到活性硫和固体放电产物的绝缘性、快速的容量衰减、较差的倍率性能和库仑效率、多硫化物转化反应的缓慢电化学氧化还原动力学等瓶颈的限制。本论文针对可溶性多硫化物中间体溶解/扩散易引发穿梭效应、充/放电循环过程中硫正极的严重体积膨胀效应等核心问题,围绕结构设计与化学调控的思想构建新颖的硫正极材料,实现了Li-S电池电化学性能的综合提升。本论文首先制备Mn CO3微立方体模板,再采用模板辅助策略成功制备出了中空多孔Mo S2微盒,在Mo S2微盒上原位生长Sn O2纳米颗粒,开发出Sn O2修饰的Mo S2微盒(Mo S2@Sn O2)载硫材料。具体研究内容如下:(1)采用共沉淀法成功制备了Mn CO3微立方体模板,并优化了工艺条件中的反应温度与反应时间。利用X射线衍射(XRD)、拉曼(Raman)等研究了Mn CO3产品结晶度、纯度,利用扫描电子显微镜(SEM)观察了Mn CO3微立方体模板的尺寸分布及分散性情况。确定反应温度为50 oC,反应时间为6 h时合成的Mn CO3微立方体模板分散性较好,没有明显的团聚现象,尺寸也高度均匀,且其表面非常光滑。通过该实验获得了结晶度较好、纯度较高、尺寸均匀且分散性良好的高质量Mn CO3模板,为模板辅助策略制备中空Mo S2做好模板准备。(2)以最佳工艺条件下制得的立方体形Mn CO3为模板,通过水热处理实现了Mo S2纳米片的均匀包覆。在稀盐酸中刻蚀去核并进一步退火处理后,成功制备出中空多孔Mo S2微盒。将其用作新型载硫基质材料,并与Mo S2微粒正极基质进行电化学性能比较。结果表明,Mo S2微盒具有明确的中空多孔结构、扩展的层间距、增大的比表面积(30.55 m2g-1)和孔体积(0.168 cm3g-1)。Mo S2微盒/S正极具有明显改善的电化学性能:在0.2 C下获得了992.8 m Ah g-1的初始放电比容量;在1 C下循环717次后其可逆容量仍保持在381.6 m Ah g-1,且每个循环的容量衰减约为0.068%,其远远高于Mo S2微粒/S正极。这些证实了中空结构对于多硫化物限制和Li-S电池性能提升的有效性。(3)利用水热反应在Mo S2微盒上原位生长Sn O2纳米颗粒,开发出Sn O2修饰的Mo S2微盒(Mo S2@Sn O2)载硫材料。首先确定Mo S2@Sn O2复合材料的最佳Mo/Sn摩尔比(1:2)。随后将制得的Mo S2@Sn O2-1:2用作新型载硫基质材料,并与Mo S2微盒和Mo S2微粒正极基质进行电化学性能比较。结果表明,Mo S2@Sn O2-1:2具有明确的中空多孔结构、扩展的层间距(约0.67 nm)、比Mo S2微盒更大的比表面积(112.97 m2g-1)和孔体积(0.204 cm3g-1)、丰富的电活性位点和高结合能,因而显著提升了对多硫化物的物理/化学双重固定能力。结合突出的结构稳定性和优良的电解液润湿性,Mo S2@Sn O2-1:2/S正极实现了比Mo S2微盒/S和Mo S2微粒/S正极更优异的电化学性能:在0.2 C下获得了1280.6m Ah g-1的初始放电比容量;在1 C下经过1000次循环后仍取得了701.3 m Ah g-1的高比容量,且每个循环的容量衰减仅仅约为0.033%。这项工作通过合理整合结构、组成和性能之间的关系,为Li-S电池多面正极的设计提供了强有力的策略。
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