基于氮化钒球形纳米材料及其复合材料的制备与电化学性能研究

发布时间：2020-05-11 16:44

【摘要】：锂硫电池因其高的比容量和能量密度、硫储量丰富、易得受到了越来越多的关注,但多硫化物的穿梭效应、循环过程中大的体积效应及硫导电性差等问题限制了其进一步的发展。研发一种新型的载硫材料是解决这些问题的一个有效手段。其中氮化钒因具有导电性高、化学/结构稳定性好和对多硫化物具有较强的作用力等优点,是一种很有潜力的载硫材料。此外,石墨低的比容量己经不能满足人们的高需求,因此研发一种新型的负极材料是十分迫切的。属于转化机制的氮化钒拥有高的理论比容量,但循环过程中较大的体积效应导致的电池循环稳定性较差等问题窒碍了此类材料实际应用。针对以上锂硫电池及锂离子电池面对的问题,本论文中主要研究了有关氮化钒及其复合材料的制备与电化学性能研究,主要内容如下:(1)设计具有特殊结构的纳米材料、元素掺杂、碳包覆或与其它材料进行复合等是对电极材料进行改性的有效手段。在本论文中,采用溶剂热及后续煅烧的方法首次成功合成了蛋黄/壳结构的钴掺杂的氮化钒(Co-VN)纳米球并对此结构的形成过程进行了探究,之后对Co-VN进行碳包覆,合成了 Co-VN@C材料,并将此材料首次用作载硫材料。由于独特的蛋黄/壳结构优势和VN、掺杂的钴及氮掺杂的碳(N-C)三者之间的协同作用,即便在高面载量时,Co-VN@C/S电极仍可以表现出出色的电化学性能。(2)通过溶剂热及后续氨气煅烧的方法合成了蛋黄/壳结构的Co-VN纳米球和双层壳VN中空微纳球,之后用PDDA对所得的两种材料进行修饰,再与氧化石墨烯进行复合,经冷冻干燥及氮气煅烧过程后,制备了 Co-VN/RGO和VN/RGO两种复合材料。将这两种复合材料首次应用于锂电,由于复合材料独特的结构优势并结合了 VN与石墨烯两者的优点,即使在大电流时,Co-VN/RGO和VN/RGO两种电极均表现出出色的锂电性能。
【图文】：

Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ：邋Ｓ８邋＾邋１６Ｌｉ邋—－８Ｌｉ２Ｓ邋Ｃｈａｒｇｅ：邋８Ｌｉ，，Ｓ邋—＊Ｓｇ邋＋邋１６Ｌｉ逡逑图１－２锂硫二次电池工作原理的示意图［１５Ｌ逡逑－２所示［１５］：放电程中，锂被氧化成Ｌｉ＋和电子，电子从外过电解液分散至正极，从而形成电流。正极硫（一般为Ｓ

逦（５）逡逑首先，固相的３８分子得电子，Ｓ－Ｓ键断裂，与Ｌｉ＋反应成Ｌ２Ｓ８和Ｌ２Ｓ６，此逡逑阶段对应于图１．３充约在２．３邋Ｖ的平台。然后，Ｌ２Ｓ８和Ｌ２Ｓ６进一步得电子，被逡逑还原成较短链的Ｌ２Ｓ４，此阶段对应于放电曲线中从２．３邋Ｖ到２．１邋Ｖ的下坡。随后逡逑较短链的Ｌ２Ｓ４进一步被还原成Ｌｉ２Ｓ２和ＬｂＳ，此阶段对应于放电过程中的约２．１逡逑Ｖ处的平台。总的反应式为：逡逑Ｓ８邋＋邋１６Ｌｉ＋＋１６ｅ＿邋—８ＬｂＳ逡逑在高压段（＞邋２．１Ｖ），每个硫原子得半个电子，理论上可提供４１９邋ｍＡｈ邋ｇ－１逡逑的比容量。在低压段（＜邋２．１邋Ｖ），每个硫原子得１．５个电子，理论上可提供的逡逑比容量为邋１２５６ｍＡｈｇ－１［１７］。逡逑４１９邋ｍＡｈ／ｇ逦１２５６邋ｍＡｈ／ｇ逡逑?逦Ｘ逦＞逡逑；；：－＞，邋Ｈｉｇｈ？￥ｏｌｕｂｉｌｉｔｙ逡逑＞邋Ｓ0逡逑？逦ｌｏｗ－ｓｏｌｕｂｉｌｉｔｙ逡逑ＣＤ邋Ｃ邋Ｓ逡逑｜２－５＇＾Ｆａｓｔ邋ｋｉｎｅｔｉｃｓ逦（ｌ＂邋ｏ！ｕｂ＇ｉｉｔｙ逡逑ｌ２0＿逦逦Ｓｌｏｗ邋ｋｉｎｅｔｉｃｓ逡逑１邋ｊ逦＾逦Ｌｉ；ｓＸ逡逑Ｃａｐａｃｉｔｙ邋／邋ｍＡｈ邋ｇ＂１逡逑图１－３锂硫电池放电曲线［１６］。逡逑１．２．３锂硫电池存在的问题逡逑虽然硫储量大、易得且锂硫电池拥有高的能量密度（约２６００邋Ｗｈｋｇ－１）和逡逑理论比容量（１６７５邋：＾１１＃），但主要存在以下的问题［１８＿２３］：逡逑（１）硫及硫化锂的电导率低。室温下，硫及Ｌｉ２Ｓ导电性不好，这直接使逡逑离子和电子不能很好地传输
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33;TM912

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本文编号：2658764