一维钴硫化物复合材料的制备及电化学性能研究

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过渡金属硫化物具有电导率高,热稳定性好,资源丰富等优点,且具备良好的储能和能量转化的能力,在电化学领域受到了广泛关注。其中,钴硫化物作为锂离子/钠离子电池负极材料时显示出了较高的理论容量,高于传统的插层型材料(如:碳基材料、钛酸锂等)。另外,钴硫化物与单质硫复合作为锂硫电池正极时也表现出了优异的电化学性能,这归因于钴硫化物与在充放电过程中产生的聚硫化物有较强的键合作用,抑制了穿梭效应。然而,目前对钴硫化物仍存在许多难题制约了其商业化应用:锂离子/钠离子在活性材料中脱嵌时会发生明显的体积膨胀/收缩,材料本体无法承受这种应力导致其结构破裂甚至是粉化;充放电过程的中间产物Li2S/Na2S易溶于电解液并沉积在金属锂表面,造成活性物质损失,进而电池容量迅速衰减。目前,将钴硫化物纳米化并与导电材料复合,能够有效地改善材料的导电性,进而优化电池的电化学性能。本文以钴硫化物纳米材料为研究对象,利用静电纺丝法、水热法和高温碳化制备出一维钴硫化物复合电极材料,应用于锂离子电池和钠离子电池。本论文的研究内容包含以下三个部分:1.一维CNT/PAN@Co9S8@C复合材料的制备及在锂离子电池中的应用。首先采用静电纺丝法制备了CNT/PAN纳米纤维,随后经过两步水热和退火过程成功制备了一维同轴纳米电缆结构的CNT/PAN@Co9S8@C复合材料。与未进行静电纺丝过程的CNT@Co9S8@C电化学性能比较,测试结果表明,CNT/PAN@Co9S8@C比CNT@Co9S8@C具有更优的电化学稳定性,前者在2 A g-1的电流密度下循环100圈后放电容量仍有455 mAh g-1,容量保持率为86%(除前三圈外)。2.一维CoS/TiO2纳米材料的制备及在锂硫电池中的应用。利用静电纺丝法、水热法及退火过程制得一维中空同轴纳米线状的CoS/TiO2复合材料。其中,CoS和TiO2均对聚硫化物有较强的吸附作用。通过一系列物相表征和电化学性能测试,结果表明,CoS/TiO2在锂硫电池中表现出了优良的电化学性能。在0.1 C的电流密度下首圈放电容量为1198.6 mAh g-1,经过200圈循环后容量仍有611.1 mAh g-1。3.复合材料CoS/MWCNT的制备及储钠性能研究。采用一步水热法和高温煅烧得到最终产物CoS/MWCNT,测试了其作为钠离子电池负极材料在不同电解液中的电化学性能。实验结果表明,CoS/MWCNT在1 mol/L NaClO4-EC/DEC(1:1,V/V)-5%FEC电解液中比在1 mol/L NaClO4-EC/PC(1:1,V/V)-5%FEC电解液中具有更好的电化学性能:首次放电容量为390.8 mAh g-1,循环100圈后容量剩余280 mAh g-1
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