过渡金属硫化物复合材料的设计制备及其在锂硫电池正极中的应用

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随着现代社会对便携式电子设备、新兴的电动汽车和智能电网的储能要求不断提高,人们迫切需要找到具有高能量密度、长循环稳定性和高电动势的储能设备。锂硫电池因为具有高理论容量(1675 mA h g-1)和能量密度(2600 W h kg-1)而在众多储能设备中脱颖而出,引起了研究者们的广泛关注。并且活性物质硫具有成本低廉、安全以及对环境友好等优点,可以很好的满足可持续能源发展的需求。然而,目前存在的硫和Li2S的导电性差、锂化反应引起的体积膨胀和多硫化物的穿梭效应等问题限制了锂硫电池的进一步发展。针对以上问题,设计可以有效固定多硫化物,减少其扩散的新型正极复合材料是提高锂硫电池电化学性能的有效途径。基于过渡金属硫化物具有高电导率以及催化活性等优点,本文以过渡金属硫化物材料为主体进行正极复合材料的设计与制备。主要内容如下:(1)以PAA-Zn纳米球(PAA-Zn NSs)为模板,CoCl2·6H2O为原料,合成了前驱体Co(OH)2/PAA-Zn NSs。随后对前驱体进行碳化处理,合成了单质Co与微-介孔碳的复合材料(Co@MMC NSs)。最后通过硫化反应制备了超细CoS2纳米晶与微-介孔碳球的复合材料,即CoS2@MMC NSs。所制得的CoS2@MMC NSs可以通过具有微-介孔结构的碳球和分散良好的超细CoS2纳米晶实现对多硫化物的物理束缚和化学催化。同时,微-介孔结构也可以提供充足的载硫空间。基于以上这些优点,S/CoS2@MMC正极在0.1 C时的初始容量可达到1227 mA h g-1。此外,在1.0 C下经过1000次循环后,仍能具有606 mA h g-1的容量,每圈的容量衰减率仅为0.035%。(2)以PAA-Mo NSs为模板,NiCl2·6H2O为原料,合成了前驱体Ni(OH)2/PAA-Mo NSs。随后,通过水热反应以及退火处理合成了MoS2/Ni3S2蛋黄-蛋壳异质结构纳米材料,并将其用作锂硫电池的宿主材料。蛋黄-蛋壳结构与异质结构的结合使MoS2/Ni3S2 NSs具有较大的储硫空间和丰富的活性位点,可以有效地捕获多硫化物并加快其进行氧化还原反应。作为锂硫电池的正极,MoS2/Ni3S2@S在0.1 C下的初始放电容量为1445.4 mA h g-1。此外,在1.0 C下经过1000次循环后,仍可保持739 mA h g-1的放电容量,容量仅下降29.4%,即每圈的容量衰减率仅为0.029%。
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