钴锡双金属氧化物/碳复合材料的制备及其在锂硫电池中的应用

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锂硫电池(LSBs)实现商业化需要解决电池充放电过程中的“穿梭效应”、电极体积膨胀等问题。为了解决LSBs正极材料导电性差、体积膨胀、多硫化锂的易溶解问题,本研究采用了共沉淀法、一锅法、退火法、静电纺丝法等方法,制备了钴锡双金属氧化物/碳复合材料。它们具有导电性好、活性位点多、对硫的吸附能力强等优点,这些优点归因于碳材料的复合、氮原子的掺杂提供了更多离子传输通道和活性位点,增强了对硫的吸附能力。主要工作内容分为如下三个部分:1.采用共沉淀的方法制备了羧基化碳纳米管缠绕的纳米立方块(CoSn(OH)6/CNTs),退火后得到CoSn O3/CNTs复合材料。对该CoSn O3/CNTs复合材料进行了组成、结构和电化学储能研究。结果表明CoSn O3/CNTs储硫量为64.93wt%。在0.2 C倍率下,初始放电比容量为435.2 m Ah g-1,经过500圈充放电循环后,放电比容量为402.5 m Ah g-1。在同倍率循环过程中,电池比容量变化相对较小,库伦效率也处在100%左右。其良好的电化学性能归因于独有的复合结构,碳纳米管提供了更多的电子传输通道,蚀刻的立方块具有更多的比表面积。2.采用“一锅法”合成了聚乙二醇包覆双金属氧化物作为前驱体,经退火处理得到Co O/Sn O2@NC复合材料。对Co O/Sn O2@NC复合材料进行了物相、形貌、结构和电化学性能研究。独特的核壳结构Co O/Sn O2@NC复合材料作为LSBs载体,在0.2 C倍率时,初始的放电比容量为395.15 m Ah g-1,经过400圈充放电循环后放电比容量具有312.11 m Ah g-1。Co O/Sn O2@NC/S在0.5 C时首圈放电比容量为295.2m Ah g-1,经过150圈电化学循环后比容量稳定不变。Co O/Sn O2@NC/S具有良好的循环稳定性,这归因于其独特的核壳结构,增强了对多硫化锂的吸附。3.将CoSn(OH)6为前驱体材料,使用静电纺丝、退火煅烧、熔融法载硫的方法,制备了CoSn O3@CNFs/S,并对其作为LSBs正极进行电化学性能研究。结果表明,该锂硫电池在0.2 C倍率下,初始放电比容量为554.9 m Ah g-1,经100圈充放电循环后,材料的放电比容量为332.2 m Ah g-1,库伦效率为99.42%。经过不同倍率下的充放电循环,该电池仍能恢复到当初的充放电比容量,因此CoSn O3@CNFs/S作为LSBs的正极材料具有良好的倍率性能。其良好电化学性能归因于静电纺丝的碳纳米纤维结构,形成了高导电性的网络,过渡金属的复合提高了对多硫化锂的吸附性,有效缓解体积膨胀,增强了LSBs的循环性能。
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