过渡金属氧化物(硫化物)/碳复合结构的构筑及其作为锂离子电池负极的性能

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可充电电池一直被视为能量储存与运输的可靠途径之一,锂离子电池(LIBs)以高能量密度、环境友好和安全稳定等特点被寄予厚望。可以与潮汐能、太阳能等不稳定能源形成互补。经过数十年来科研人员的努力,已经对LIBs的充放电机制有了丰富的理论基础,并实现了在电子设备、航天军事等方面的应用。尽管LIBs成本高价格贵等缺点,目前已经实现商业化应用的负极材料——石墨无法满足对容量密度越来越高的要求。由于LIBs的优点,科研人员们仍正在寻找更多的合适的负极材料来满足更高能量密度的要求。过渡金属氧化物和过渡金属二硫化物都有着远高于石墨的理论容量,Fe3O4作为典型的过渡金属氧化物,理论容量为924 m Ah g-1,在地球上储量丰富、价格便宜等优点。由于过渡金属氧化物固有的导电性差、充放电过程的转化反应导致的体积变化造成颗粒粉碎等缺点,通常和无定形的碳复合来同时增加导电性和限制体积变化;MoS2是过渡金属二硫化物(TMD)中常见的一种LIBs负极材料,它有着类似于石墨烯的层状结构,反应机制为插层反应,体积变化小,理论容量略低于过渡金属氧化物。单层MoS2在热力学上不稳定,容易在范德华力作用下重新堆叠,失去层状结构的优势。同时,热力学上稳定的2H相MoS2是半导体,有着较大的内阻,通常利用和其他材料(通常为碳材料)的协同作用,来增加层间距减小锂离子插入的阻力和阻止在范德华力作用下的堆叠。碳材料有着高的导电性能和良好的机械性能,被广泛地用于和负极材料的制备中,本论文主要是讲述通过碳材料使用来提升LIBs的性能,主要分为一下两个部分。(1)首先在常压下使用一步溶剂热法制备了直径为80 nm的Fe3O4纳米颗粒,同时用明胶作为媒介,通过喷雾干燥方法使Fe3O4纳米颗粒被牢牢固定在由单壁碳纳米管(CNTs)构成的导电网络上,再经过退火得到Fe3O4@C/CNTs复合材料。电化学测试数据表明:Fe3O4@C/CNTs在5 A g-1的电流密度下进行700次以上的充放电,比容量仍然稳定在348 m Ah g-1,作为对比样的Fe3O4/CNTs和Fe3O4@C的比容量衰减至155和70 m Ah g-1。明胶和CNTs的使用大大提高了复合材料的导电性能和限制了Fe3O4纳米颗粒的体积膨胀,从扫描电子显微镜和透射电子显微镜数据中可以显示出Fe3O4纳米颗粒被均匀的分布在CNTs的导电网络中。(2)采用Na2MoO4·2H2O为钼源、硫脲作为硫源,葡萄糖溶液为溶剂,通过溶剂热法在碳布(CC)上原位生长MoS2纳米片,形成自支撑的MoS2@CC,其中碳布是先对聚丙烯腈(PAN)纺丝液进行静电纺丝然后进行后碳化获得。碳布上生长MoS2纳米片既能够提高MoS2纳米片的导电性和阻止纳米片的堆叠,也能够避免使用PVDF等粘结剂降低比容量。作者使用不同比例的Na2MoO4·2H2O和硫脲对MoS2复合材料形貌和电化学性能的影响,研究表明,随着硫脲比例越来越大,生长在碳纤维上的MoS2也越来越均匀致密,比容量也逐渐增加。在Na2MoO4·2H2O与硫脲的质量比为1:3时有着最优的电化学性能,在电流密度0.5A g-1时,在200次循环后保持有810 m Ah g-1,其他Na2MoO4·2H2O与硫脲质量比的比容量分别是450 m Ah g-1(1:0.05)、617 m Ah g-1(1:1)、608 m Ah g-1(1:1.5)、621 m Ah g-1(1:2)和703 m Ah g-1(1:4)。
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