硫化钴用作铝离子二次电池正极的探索与性能研究

发布时间：2020-04-08 06:58

【摘要】：铝离子二次电池(RAB)具有理论比容量高(2980 Ah kg~(-1))、安全性高、成本低和铝资源十分丰富(铝在地壳中含量为8%)的优点,是新一代大规模电网储能器件的理想候选者。目前铝离子二次电池的发展尚处于起步阶段,开发具有高容量和长期稳定性的合适的新型正极材料,是改善铝离子电池电化学性能及其实际应用的关键。为此,本课题合成了三种硫化钴材料,之后以不同方式制备了两种硫化钴与碳纳米管(CNT)的复合材料,并研究了其在铝离子电池中的电化学性能。首先,本文通过简单的一步水热法或溶剂热法合成出CoS_2,Co_9S_8和CoS硫化钴材料。XRD和SEM表明产物纯度较高,结晶良好,颗粒完整,形貌多样化。三种硫化钴材料作为铝离子电池正极时,皆呈现出良好的电化学性能。而且随着循环次数的增加,放电比容量和放电电压平台等性能表现出逐渐升高的趋势。其中,在200 mA g~(-1)电流密度下,CoS_2材料初始放电比容量为17 mAh g~(-1),300圈时放电比容量升至89 mAh g~(-1);Co_9S_8材料可在保持60 mAh g~(-1)(200 mA g~(-1))以上放电比容量的情况下连续循环约600圈;CoS材料在300 mA g~(-1)电流密度下具有高达~110 mAh g~(-1)的比容量。电化学分析表明,正极材料经历了铝离子嵌入的还原过程和铝离子脱嵌的氧化过程,可逆性良好;活性离子在正极材料内部的固相扩散过程是限制电极反应动力学的控制步骤。其次,本论文通过机械复合和原位生长的方法分别制备了具有独立自支撑结构的CoS_2/CNT和CoS_2@CNT材料,并测试了其在铝离子电池中的电化学性能。结果表明,CoS_2@CNT具有优异的倍率性能和放电循环性能。在200 mA g~(-1)的电流密度下,放电电压平台为0.9 V,150次循环后放电比容量达到160 mAh g~(-1),高于CoS_2/CNT,是同条件下CoS_2材料的2倍。在300 mA g~(-1)电流密度下,CoS_2@CNT表现出高达200 mAh g~(-1)的放电比容量。电化学交流阻抗测试表明,相对于机械复合法,原位生长方法制备的CoS_2@CNT复合材料具有更小的电池内阻和更高的导电性。碳纳米管和活性物质间良好的结合力和碳纳米管较佳的电子传导能力赋予复合材料更加优异的电化学性能。总之,硫化钴材料是极具开发和应用潜力的铝离子二次电池正极材料,碳纳米管与硫化钴的原位复合更可极大地提升硫化钴的电化学性能。具有优异的倍率性能和循环性能的CoS_2@CNT复合材料在铝离子二次电池实用化上显现出了良好的应用前景。
【图文】：

示意图,硫化钴,流程,示意图

其流程可大致描述为图3.1 所示：图 3.1 硫化钴材料的制备流程示意图Fig.3.1 Schematic diagram of the preparation of cobalt sulfide materials

照片,添加粘结剂,电解质,照片

图 3.3 a）[EMIm]Cl/AlCl3电解质和 b）添加粘结剂（PVDF）之后的照片。Fig.3.3 Photograph of a) [EMIm]Cl/AlCl3electrolyte and b) after adding the binder(PVDF).鉴于此，本课题优选聚四氟乙烯 PTFE[67]作为粘接剂以排除可能存在的副反应的干扰。3.2.3 硫化物正极的制备分别称取一定量制备好的硫化钴 CoS2，导电碳 super-P，粘接剂 PTFE（60 wt%水分散液）以 6:3:1 质量比并配以适量乙醇混合成浆，充分搅拌至其分散均匀，之后不断研磨成薄膜，裁剪成 1.5 cm 直径圆片若干，于 80℃下真空干燥过夜。所得的电极片中硫化物的负载量为~3 mg cm-2。Co9S8（优选煅烧 600℃产物，下文将做说明）、CoS 电极的制备同上述步骤。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM912

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