层状硫化铋复合材料的制备及电化学储钠性能研究

发布时间：2017-09-10 17:09

  本文关键词：层状硫化铋复合材料的制备及电化学储钠性能研究

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【摘要】：目前,钠离子电池日益受到广泛关注。过渡金属氧化物及硫化物由于其优越的电化学性能已经在锂离子电池和超级电容器方面有了深入的研究,但是作为钠离子电池的电极材料尤其是负极材料的研究尚不多。硫化铋(Bi_2S_3)是一种重要的半导体材料,由于其特殊的层状结构,Bi_2S_3作为锂离子嵌入材料已有了相关的研究与应用,但是在钠离子电池领域中尚未有专门的研究报道。本文工作主要集中于不同形貌的Bi_2S_3以及Bi_2S_3的碳复合材料Bi_2S_3/C和Bi_2S_3@CNT的合成,表征其物理特性并探究电化学储钠性能,具体内容如下:1.以BiCl_3为铋源,硫代乙酰胺(TAA)为硫源,通过水热法合成Bi_2S_3盘状纳米片。出于提高材料结构稳定性和材料导电性的考虑,本文探究了碳包覆的盘状Bi_2S_3的合成以及其电化学储钠的性能。碳包覆的盘状Bi_2S_3相较于单纯的Bi_2S_3而言,其性能略有提升,Bi_2S_3/C首次放电容量达到1015 mAh g-1,第二次和第三次放电容量依次为845和610 mAh g-1。此外,Bi_2S_3/C相较于Bi_2S_3而言具有更好的循环稳定性,例如在0.1C下,经过50次循环后,Bi_2S_3/C仍然具有大约100 mAh g-1,而Bi_2S_3只有不到50 mAh g-1;在较高的倍率例如1C时,Bi_2S_3/C经过100次充放电循环后放电容量为35 mAh g-1。2.我们通过超声水解法合成了纳米颗粒状Bi_2S_3,为了进一步提高其电化学性能,本文设计了Bi_2S_3@CNT纳米复合物作为钠离子电池的负极材料,并且研究了其电化学性能。层状结构的Bi_2S_3为钠离子的嵌入提供了位点,而Bi_2S_3@CNT复合物中的碳纳米管提供了高导电的网络,提高了电荷迁移速率。结果显示,Bi_2S_3@CNT纳米复合物相较于Bi_2S_3纳米颗粒在0.01-3 V的电压窗口下,表现出更高更稳定的容量。Bi_2S_3@CNT作为钠离子电池负极材料放电容量在60 mA g-1电流密度下,经过60次充放电循环后,依然能够达到84.4 mAh g-1。3.作为对比参照体系,过渡金属钼的化合物也具有很好的储钠性能,本文后一部分主要是探究MoO2/C复合物的合成。无定型碳包覆的MoO2纳米片利用葡萄糖的还原性,通过两步法水热合成。获得的产物MoO2/C复合物表现出了优越的电化学储钠性能,在0.05C的倍率下经过25次充放电循环后仍保持341.1 mAh g-1的比容量。在更高的倍率如1C、2C和5C下,材料经过115次充放电循环后仍然表现出高容量和长循环稳定性。在扫速为5 mV s-1下,CV曲线表现出良好的电容性能。电化学测试结果显示MoO2/C复合物可用作大功率或高能量密度的钠离子负极材料。
【关键词】：钠离子电池 负极材料 Bi_2S_3 Bi_2S_3/C Bi_2S_3@CNT MoO_3 MoO_2 MoO_2/C
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM912;TB33
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 绪论12-35
• 1.1 引言12-13
• 1.2 钠离子电池的工作原理13-14
• 1.3 钠离子电池电极材料的选择要求14
• 1.4 钠离子电池负极材料研究进展14-20
• 1.4.1 碳基储钠负极材料15-18
• 1.4.2 合金类储钠负极材料18-19
• 1.4.3 金属氧化物储钠负极材料19
• 1.4.4 其他储钠负极材料19-20
• 1.5 钠离子电池正极材料研究进展20-22
• 1.5.1 层状Na_xMO_2（M=Co、Ni、Fe、Mn、V等）正极材料20-21
• 1.5.2 聚阴离子型正极材料选择及发展21-22
• 1.6 钠离子电池负极材料Bi_2S_3的研究进展22-24
• 1.7 钠离子电池负极材料氧化钼的研究进展24-26
• 1.7.1 钠离子负极材料MoO_2的研究进展24-25
• 1.7.2 钠离子电极材料MoO_3的研究进展25-26
• 1.8 本论文的研究意义和内容26-27
• 1.9 本论文的创新之处27-28
• 参考文献28-35
• 第二章 实验药品与测试方法和原理35-40
• 2.1 实验主要化学药品35-36
• 2.2 主要实验仪器36-37
• 2.3 材料的表征37-38
• 2.3.1 物相分析37
• 2.3.2 热重分析37
• 2.3.3 形貌表征37-38
• 2.3.4 拉曼光谱测试38
• 2.3.5 傅里叶红外光谱测试38
• 2.3.6 比表面积测试38
• 2.3.7 X射线光电子能谱（XPS）测试38
• 2.4 极片的制备和电池的组装38-39
• 2.4.1 电极片的制备38-39
• 2.4.2 纽扣电池的组装39
• 2.5 电化学性能测试39-40
• 2.5.1 循环伏安测试39
• 2.5.2 交流阻抗测试39
• 2.5.3 充放电测试39-40
• 第三章 盘状Bi_2S_3/C的合成及电化学储钠性能研究40-52
• 3.1 实验内容40-41
• 3.1.1 水热法合成Bi_2S_3/C材料40
• 3.1.2 电极片制备与电池组装40
• 3.1.3 电池的测试40-41
• 3.2 实验结果与分析41-50
• 3.2.1 材料的结构表征和形貌分析41-46
• 3.2.2 材料的电化学储钠性能分析46-50
• 3.3 本章小结50-51
• 参考文献51-52
• 第四章 Bi_2S_3@CNT复合材料的合成与其电化学储钠性能探究52-64
• 4.1 引言52
• 4.2 材料的合成52-53
• 4.2.1 碳纳米管的酸化预处理52
• 4.2.2 Bi_2S_3@CNT复合物的合成52-53
• 4.2.3 电极材料的制备及电池的组装53
• 4.2.4 电池的的测试53
• 4.3 实验结果与分析53-57
• 4.3.1 材料的结构表征和形貌分析53-57
• 4.4 材料的电化学储钠性能分析57-62
• 4.4.1 循环伏安（CV）分析57-58
• 4.4.2 充放电分析58-59
• 4.4.3 倍率（rate）性能分析59-60
• 4.4.4 长循环性能分析60
• 4.4.5 库伦效率分析60-61
• 4.4.6 电化学阻抗（EIS）测试61-62
• 4.5 本章小结62-63
• 参考文献63-64
• 第五章 MoO_2/C复合材料的合成与其电化学储钠性能探究64-80
• 5.1 引言64-65
• 5.2 材料的合成65-66
• 5.2.1 MoO_2/C复合物的合成65
• 5.2.2 电极材料的制备以及电池的组装65-66
• 5.2.3 电池的测试66
• 5.3 实验结果与分析66-71
• 5.3.1 材料的结构表征和形貌分析66-71
• 5.4 材料的电化学储钠性能分析71-77
• 5.4.1 循环伏安（CV）分析71-73
• 5.4.2 充放电分析73-74
• 5.4.3 倍率分析74-75
• 5.4.4 循环性能分析75-76
• 5.4.5 交流阻抗分析76-77
• 5.5 本章小结77-78
• 参考文献78-80
• 第六章 结论与展望80-84
• 6.1 结论80-82
• 6.2 展望82-84
• 攻读硕士学位期间公开发表的论文及科研成果84-85
• 致谢85-86

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