钴基氧(硫)化物/氮掺杂碳复合材料的制备与储锂性能研究

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与传统的锂离子电池负极石墨材料相比,钴基氧(硫)化物具有更高的理论比容量,更好的安全性能,被认为是锂离子电池负极材料中非常具有发展前景的一类材料。但是,这类材料也存在着循环稳定性差和倍率性能不佳等缺点。目前,采用高导电的氮掺杂碳与这类材料复合,是改善它们电化学性能的有效策略。因此,本文采用简单水热法结合热处理过程成功合成出一系列多级结构钴基氧(硫)化物/氮掺杂碳复合材料。并对它们进行物相、形貌以及显微结构表征和电化学性能测试,主要研究内容如下:(1)采用醋酸钴作为钴源,4,5-咪唑二羧酸作为配体,通过一步水热法成功制备了具有超细纳米线形貌的钴基配位聚合物。该配位聚合物通过烧结生成介孔超细四氧化三钴/氮掺杂碳(Co3O4/NC)纳米线。其纳米线的直径均小于20 nm,且纳米线是由几纳米大的纳米晶构筑而成的。这种介孔超细Co3O4/NC纳米线电极展现出了优异的储锂性能:在0.1 A·g-1电流密度下,循环500次后,可逆比容量为1294 m A·h·g-1。在1 A·g-1倍率下,循环1000次后,可逆比容量为896.8 m A·h·g-1。(2)以钴基配位聚合物纳米线为基质,利用多巴胺在常温下的聚合反应,对其进行包覆,生成聚多巴胺-钴基配位聚合物纳米线前驱体。再结合低温烧结,得到了聚多巴胺衍生的氮掺杂碳均匀包覆的多级结构Co3O4/NC复合材料。该复合材料展现出了更加优异的储锂性能,其首次库伦效率提高到了76%,在0.2A·g-1电流密度下,循环500次后,可逆比容量为1439 m A·h·g-1。在1 A·g-1倍率下,循环1500次后,可逆比容量高达929 m A·h·g-1。(3)以聚多巴胺-钴基配位聚合物纳米线为基质,对其进行硫化,通过改变硫粉加入量,得到三种氮掺杂碳均匀包覆的钴基硫化物复合材料即Co9S8/NC、Co S/NC、Co S2/NC。其中,Co9S8/NC复合材料展现出最优异的储锂性能:在0.1 A·g-1电流密度下,循环200次后,可逆比容量为874 m A·h·g-1。在1 A·g-1的倍率下,首次库伦效率为83%,循环1200次后,可逆比容量为677 m A·h·g-1
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