二硫化钼基锂硫电池正极材料的制备及性能研究

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近年来,锂硫电池因其在电动汽车、卫星、无人机和其他储能设备上具有广阔的应用前景而受到了越来越多的关注。硫正极具有较高的理论比容量(1675 mAh g-1)和能量密度(2600 Wh kg-1),分别是商业化锂离子电池正极材料的十倍和五倍。此外,硫的储量丰富和无毒性使得锂硫电池具有成本低廉和环境友好等特性。然而,锂硫电池充放电最终产物(S和Li2S2/Li2S)的绝缘性导致反应动力学缓慢和较低的实际容量;循环过程中的中间产物多硫化锂易溶于电解液中,造成活性物质的损失。这些问题严重制约了锂硫电池的实际应用。由范德华力堆叠形成的S-M-S层构成的二维层状过渡金属硫化物由于其独特的结构使其在电化学能源储存及转化领域成为研究的热点。其中,MoS2的边缘位点在电催化反应中表现出更高的催化活性,能够促进多硫的转化和Li2S的电化学沉积,同时边缘位点的高极性与多硫化锂之间的强相互作用可以有效地避免多硫化锂溶解在电解液中。然而层状材料的生长特性限制了传统MoS2材料边缘位点得数量,同时其半导体特性也限制了电子的快速传递。本文针对以上问题先后合成了边缘位点丰富和类金属相MoS2基材料,并进一步深入研究了其在锂硫电池中的应用。主要研究内容如下:(1)采用一步水热法使具有丰富边缘活性位点的MoS2纳米片负载在碳布上,并作为单质硫的载体,深入探究了边缘活性位点与电化学性能间的构效关系。实验结果表明,具有丰富边缘活性位点的MoS2纳米片不仅可以使随后负载的硫单质的尺寸保持在纳米级(5-10 nm),还能够固定Li2S并催化其向充电产物转化;同时,基底材料碳布的高导电性有利于倍率性能的提升。V-MoS2/CC@S作正极材料时,在0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C和3C的电流密度下首圈放电比容量分别达到1174823,721,635,547和487 mAh g-1;在随后的2C下循环800圈之后,比容量保持在579 mAh g-1。这种构效关系的设计为其他过渡金属硫化物提供了可行性的方法。(2)MoS2因S-Mo-S原子层不同的堆垛方式会形成三种同质异形体(1T、2H和3R),其中,在天然中稳定存在是2H相。在二次电池、超级电容器等储能器件中已展现出卓越的性能。同时,基于CoxSy对多硫化锂具有较强的吸附作用,我们尝试引入钴来提高材料导电性和对多硫化锂的吸附能力。我们通过水热法合成出钴稳定的1T相MoS2(Co-MoS2)具有较大的比表面积和孔体积与较高的无序度,除此之外,MoS2纳米片的厚度较小,尺寸分别更加均匀。归因于上述优点,Co-MoS2@S正极材料在2C和5C下循环400圈之后比容量仍能分别保持556.6和374.4 mAh g-1,表明其在大电流密度下依然能够表现出令人满意的循环稳定性。
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