硫化铋纳米材料的电化学储锂研究

发布时间：2019-05-20 16:14

【摘要】：硫化铋(Bi2S3)是一种重要的半导体材料,具有能量带隙较窄的特点(Eg=1.3 e V),如今已经被广泛应用在传感器、光电转换和热电技术中。另外,Bi2S3固有的层状结构可以容纳客体离子的嵌入,因而在储锂和储氢中也有潜在的应用前景。本论文以Bi2S3材料为研究对象,以调控Bi2S3材料的结构、形貌和电化学储锂特性为研究内容,系统开展这种材料的可控制备、结构修饰、复合改性和电化学性能评测的研究,并取得了一些有意思的研究成果。具体研究内容如下:(1)采用水热法一步制备了盘状编织结构的碳包覆Bi2S3复合材料,通过改变反应时间和反应温度来调控最终产物的成分和形貌。结果表明,180℃下水热反应3h得到较好的盘状Bi2S3产品。该产品直径约为2μm,由Bi2S3纳米棒相互编织而成,纳米棒的表面均匀包覆一层厚度为3 nm的非晶碳层。该碳层可以有效限制了Bi2S3在脱嵌锂离子时的体积膨胀,并提高了电子导电性,从而改善了Bi2S3的电化学储锂性能。电化学测试表明,在300 m A g-1电流下循环40圈后容量仍然保持在362 m Ah g-1;在600 m A g-1电流下循环40圈后容量还维持在301 m Ah g-1,此结果较文献报道有了明显的改善,但高倍率性能仍有待于提升。(2)采用超声合成法在室温下获得了Bi2S3与碳纳米管(CNT)的强耦合复合物。复合结构有两种形式,一种为Bi2S3-CNT树枝状结构,另一种为Bi2S3@CNT共轴结构。在树枝状Bi2S3-CNT复合结构中,Bi2S3纳米棒垂直于CNT生长,电解液可以直接渗透到纳米棒的底部;而柔性CNT对电荷的转移提供了快捷通道,因而该材料具有非常优良的电化学储锂性能。电化学测试表明,树枝状Bi2S3-CNT表现出较好的循环性能和倍率性能,在3 A g-1电流下容量仍然接近400 m Ah g-1,90次循环后容量稳定在534m Ah g-1。我们进一步制备了Bi2S3@CNT共轴结构,其制备在冰浴中进行,因而有效控制了反应的速率。在Bi2S3@CNT中,Bi2S3与CNT存在着化学耦合,因而结合非常紧密,不易脱落。该Bi2S3@CNT的循环和倍率性能同样很优异,在0.2和1 A g-1电流下循环100次容量仍然保持了502和405 m Ah g-1。而且,该共轴材料在5 A g-1电流下,仍然保持376 m Ah g-1的容量。高速循环伏安扫描实验证实,该材料可以经受10 m V s-1电位扫描而不损失基本的形状,突出体现了该共轴材料的高倍率特性。(3)以上结构设计可以获得高容量和高倍率的Bi2S3材料,但是该材料的首次库伦效率一般比较低(70%),难以实际利用。我们进一步设计了Bi2O3-Bi2S3异质结构来解决这一难题。我们采用表面活性剂CTAB来调控硫化过程,从而得到了内部为Bi2O3,外部为Bi2S3的纳米片层。电化学测试表明,该Bi2O3-Bi2S3的首次库伦效率达到83.7%,远高于以前的Bi2S3或者Bi2O3材料,并且也高于大多数的金属氧化物和硫化物负极材料。因此,异质结构为硫化物储锂材料的发展提供了一种可行的方法。
[Abstract]:Vulcanizer (Bi2S3) is an important semiconductor material with a narrow band gap (Eg = 1.3e V), which is now widely used in sensors, photoelectric conversion and thermoelectric technology. In addition, the layered structure inherent in the Bi2S3 can accommodate the embedding of guest ions, and thus there is a potential application prospect in the storage of lithium and hydrogen. The thesis takes Bi2S3 as the research object to control the structure, morphology and electrochemical lithium-storage characteristics of the Bi2S3 material as the research contents. The system carries out the research of the controllable preparation, the structure modification, the composite modification and the electrochemical performance evaluation of this material, and has obtained some interesting research results. The specific research contents are as follows: (1) The carbon-coated Bi2S3 composite material with a disk-shaped braided structure is prepared in one step by a hydrothermal method, and the composition and the appearance of the final product are regulated by changing the reaction time and the reaction temperature. The results showed that a good disc-shaped Bi2S3 product was obtained by hydrothermal reaction at 180 鈩，

本文编号：2481771