锂离子电池层状二硫化物负极材料的研究

发布时间：2020-06-26 08:38

【摘要】：层状过渡金属硫化物(MS2,M=Sn,Mo)具有较高的理论比容量,资源丰富,成本低,近年来作为锂离子电池负极材料受到了研究者们的广泛关注。然而,MS2还存在很多问题,限制了它的实际应用。在脱嵌锂过程中伴随较大的体积变化,导致活性颗粒粉化,活性物质和集流体失去电接触并从其表面脱落,容量急剧衰减。MS2较低的本征电子电导和离子电导使材料的倍率性能较差。层状MS2结构各项异性,离子嵌入存在方向性,因此片层MS2的生长方向严重影响着电极中离子迁移速度。本论文通过设计MS2和碳基质的直接化学键合,提高电极的电导特性和结构稳定性;调控MS2片层生长取向、添加功能性异质结,加速电极中离子传输,改善倍率性能。制备了比容量高、循环稳定性好、倍率性能优异的MS2/碳负极材料,并对其结构以及电化学性能进行了深入系统的研究,具体研究内容如下:具有共格结构的CNTs@MoS2@C材料的制备及电化学性能研究。采用气相沉积法,以CNTs作为生长基体,具有易升华特性的Mo03粉和S粉作为钼源和硫源,使MoS2原位生长于CNTs表面,后经无定形碳包覆,制备了碳包覆、共格生长于CNTs表面的MoS2纳米针,形成CNTs@MoS2@C材料。具有共格结构的MoS2/CNT界面处以C-S键合,其不仅可有效防止活性MoS2在脱嵌锂过程中从CNTs基体剥落,维持电极材料的完整结构,并且能够提供快速电子传输通道,加快电极反应动力学过程。因此,CNTs@MoS2@C电极表现出优异的倍率特性和长期循环稳定性,在0.1 Ag-1电流密度下循环100次,依然保持990mAh g-1可逆比容量。在2Ag-1大电流密度下的可逆比容量依然高达有758 mAh g-1。三维多孔MoS2/N掺杂碳纤维材料的制备及电化学性能研究。以多孔N掺杂碳纤维为基体,采用化学气相沉积法,制备了生长于多孔碳纤维内部的MoS2纳米环,MoS2与碳纤维基质通过化学键结合形成牢固结构。纤维中的大量孔隙可以缓冲MoS2脱嵌锂过程中伴随的体积变化,改善电极循环稳定性;MoS2与碳纤维基质界面的化学键合有利于提高电极材料的电子电导,改善电极反应动力学过程。所制备的MoS2/N-C电极表现出较高比容量、优异的倍率特性和循环稳定性。在0.1 A 下循环60次后的可逆比容量为1043 mAh g-1,在2 A g-1大电流密度下的可逆比容量为619 mAh g-1。具有垂直取向关系的SnS2/rGO材料的制备及电化学性能研究。采用水热法制备了 SnS2纳米晶垂直生长于rGO表面的SnS2/rGO材料。SnS2与rGO通过C-O-Sn键合,这种化学耦合为界面提供了快速的电子传导,并增强了两组分的相互结合,防止循环过程中SnS2纳米片从rGO表面剥落,改善电极材料的结构完整性。所制备的SnS2/rGO电极表现出良好的电化学性能,1Ag-1电流密度下循环1000次后的容量保持率依然高达95%。在2 A g-1大电流密度下的可逆比容量相比于0.1 A g-1电流密度下的可逆比容量的保持率(C2.0/C0.1)为 80%,C10.0/C0.1有66%。择优取向SnS2纳米片的可控制备及电化学性能研究。以PEG为表面活性剂,通过PEG分子链终端含氧官能团(-OH)对金属离子Sn4+的络合作用,调控SnS2晶体生长方向,制备了具有(001)和(101)生长取向的SnS2纳米片。相比于沿(001)晶面生长的SnS2纳米片,以(101)晶面裸露生长的SnS2纳米片可以提供较多的电化学反应活性位点以及较短的锂离子迁移路径,有利于改善材料的倍率性能。所制备的(101)SnS2@C电极在0.1 A g-1电流密度下循环100次后的容量保持率为95%,在0.5 A g-1电流密度下循环300次后的容量保持率为85%。电极的倍率性能优异,C2.0/C0.1有83%。具有pn结特性SnS2-SnS/rGO材料的制备及电化学性能研究。采用水热法制备了界面具有pn结特性的SnS2-SnS/rGO材料。利用SnS2的n型导电特征和SnS的p型导电特征,在SnS2/SnS界面构筑pn结,产生由SnS2指向SnS的内建电场,加速界面处离子传输,改善电极反应动力学过程。SnS2-SnS/rGO电极表现出优异的倍率性能,C2.0/C0.1高达85%,Cio.o/C0.1依然保持有71%。电极的长期循环性能稳定,在1 A g-1大电流密度下循环1000次后的容量保持率为94%。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM912
【图文】：

干燥后制得。逡逑以ＬｉＣ0０２为正极，碳为负极体系的锂离子二次电池为例说明其工作原逡逑理，如图２－１所示［１２］。电极反应如式（２－１）－（２－３）所示［｜３］：逡逑正极反应：ＬｉＣｏ0２邋ＬｉｕＣｏＯ？邋＋邋ｘＬｉ＋邋＋邋ｘｅ－逦（２－１）逡逑负极反应：Ｃ６邋＋邋ｘＬｉ＋邋＋邋ｘｅ—邋＜■？邋ＬｉｘＣ６逦（２－２）逡逑电池总反应？？邋ＵＣ0０２邋＋邋Ｃ６邋＾邋Ｌｉ＾ＣｏＯｚ邋＋邋ＬｉｘＣ６逦（２－３）逡逑逦Ｌ逦Ｗ邋．ｓ邋ｅ邋＾４逦如}0啦逡逑Ｉ逡逑Ｎｅｇ？ｔ＜？＊邋Ｃｔｏｃｔｒａｄ＊逦0Ｋｔｒｏｄ？逡逑（Ａｎｏｄｅ）逦（ＣＭｔｉｏｔｆｔ）逡逑｜綦ｒ：邋？廔ｎ逡逑国尝１５叄渝危蹋慑义希停浚纾停耍鳎牛妫铮悖簦睿荆蓿�逦�

本文编号：2730090