铁基硫化物复合材料的制备及其储钾性能研究

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金属钾具有与锂相似的物理化学性质,而且资源丰富,开发具有低成本、高性能的钾离子电池来替代锂离子电池成为了可能。二硫化铁作为一种重要的转换类负极材料,具有理论容量高(894 m Ah g-1)、廉价和环境友好的优势,是一种很有前景的钾离子电池负极材料。然而作为钾离子电池负极时,存在较大的体积膨胀和导电性差的问题。因此,需要对其进行合理的结构设计,从而获得高性能的钾离子电池负极材料。本论文结合了碳材料的良好的导电性和二硫化铁高理论容量的优势,采用纳米化、碳包覆等手段,成功合成了高性能的钾离子电池负极材料。具体研究内容如下:(1)将聚甲基丙烯酸甲酯和四氧化三铁纳米颗粒作为前驱体去静电纺丝,然后再经过盐酸多巴胺包覆、碳化和硫化,成功合成了二硫化铁纳米颗粒锚定在氮硫共掺杂的中空碳纳米管内壁复合材料(Fe S2@HCNF)。并以此复合材料筛选出了最匹配的二硫化铁基钾离子电池负极材料的电解液体系。在500 m A g-1的大电流密度下循环150圈后,仍具有272 m Ah g-1的比容量。良好的性能表现归因于独特的纳米结构缓解了二硫化铁的体积膨胀和提高了其导电性,匹配的电解液有助于形成更稳定的SEI膜。(2)以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为模板,通过简单的静电喷雾技术,成功地合成了二硫化铁纳米颗粒锚定在氮硫共掺杂的中空碳球内壁复合材料(Fe S2@HCS)。小尺寸的二硫化铁纳米颗粒锚定在氮硫共掺杂的中空碳球内壁,能够有效缩短离子/电子传输路径,增强二硫化铁颗粒的导电性,而且还能缓冲体积膨胀以及防止二硫化铁纳米颗粒团聚。因此,表现出良好的电化学性能,在100 m A g-1电流密度下循环100圈,仍然具有425 m Ah g-1的高可逆比容量,而且从第10圈到第150圈,平均每圈容量衰减只有0.05%。即使在2 A g-1的大电流密度下,具有302 m Ah g-1的可逆比容量,表现出良好的倍率性能。同时,本论文通过赝电容、电化学阻抗(EIS)和恒电流间歇滴定(GITT)技术对钾离子存储动力学进行了研究。此合成方法对提高过渡金属硫化物/氧化物负极材料的储钾性能提供了新的研究思路。
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