二硫化钼控制合成及其作为锂离子电池负极的电化学行为

发布时间：2020-11-16 16:23

　　 新能源的开发以及合理应用为能源危机提供了有效解决方案。在电动汽车与移动电子设备迅猛发展,爆发增长的背景下,近年来锂离子电池的需求量长期保持持续增长的势头。由于锂离子电池具有循环稳定性佳,相对较高的能量密度和良好的安全性等综合优点,这使其成为当今储能器件的不二之选。随着人们对锂离子电池综合性能日益增长越来越高的要求,其目前的性能越来越无法满足人们的需求。其中负极材料是人们关注的焦点之一,目前广泛商业化应用的负极材料主要是石墨类材料,其理论比容量仅为372mAh·g~(-1),提升空间非常有限,因此寻求替代的更高容量、更长循环寿命、更高安全性的锂离子电池负极材料迫在眉睫。一系列不同的锂离子电池负极材料备受人们关注,其中二维纳米材料依靠独特的晶体结构受到人们广泛的研究,其中包括近年来的热点材料石墨烯。在众多的二维纳米材料之中,如MX_2(M=Mo,Ti,V和W,X=S或Se)的过渡金属二卤化物由于其独特的结构受到了人们的广泛研究。这类材料有一个共同特点是外来原子能够嵌入其层间。这一类化合物晶体结构为层内的原子依靠强共价键相结合,而邻层之间则是由弱范德华力结合,形成层片状的结构。这种独特的结构特征促进了不同阳离子的嵌入和脱出,使其在用于锂离子电池时展现出良好的电化学性能。这类化合物中的MoS_2受到了广泛研究由于其较高的比容量。然而半导体特性以及反复脱嵌锂过程中化学结构变化严重影响了其电化学性能。目前,提升MoS_2容量和循环稳定性的途径主要是提升导电性、纳米化改性以及扩张层间距。本文通过直流电弧等离子体法制备Mo纳米粉体作为前驱体,随后进行硫化反应得到MoS_2纳米粒子。通过物理表征发现其层间距相较块体MoS_2材料(0.615 nm)显著扩大,达到了0.702 nm。通过直流电弧等离子体法制得的Mo纳米球直径10~25 nm,分布均匀且粒径较小,以此作为前驱体进行硫化反应得到的MoS_2纳米片尺寸较小,形成的团聚体直径5~20μm,比表面积达到了80.42 m~2·g~(-1),活性物质与电解液的接触面积得到扩展,循环过程中产生的内应力得到了缓冲,活性物质粉化导致容量迅速衰减的问题大大缓解。用作锂离子电池的负极材料,MoS_2纳米粒子表现出优于理论容量的比容量和良好的循环稳定性,前100次循环保持860 mAh·g~(-1)以上的可逆比容量。随着充放电过程中MoS_2分解产生均匀分布的原子级Mo,其与Li发生合金化反应嵌锂容量逐渐增大,这个过程中比容量逐渐上升至2065 mAh·g~(-1),表现出良好的电化学性能。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM912
【文章目录】：
摘要
Abstract
引言
1 绪论
    1.1 锂离子电池简介
        1.1.1 锂离子电池背景
        1.1.2 锂离子电池工作原理
        1.1.3 锂离子电池结构
        1.1.4 锂离子电池特点
    1.2 锂离子电池负极材料
        1.2.1 嵌入/脱嵌型锂离子电池负极材料
        1.2.2 合金/脱合金型锂离子电池负极材料
        1.2.3 氧化还原型锂离子电池负极材料
2 负极材料研究进展'>    1.3 MoS₂ 负极材料研究进展
2 背景'>        1.3.1 MoS₂ 背景
2 脱嵌锂原理'>        1.3.2 MoS₂ 脱嵌锂原理
2 当前研究'>        1.3.3 MoS₂ 当前研究
    1.4 研究目的及内容
        1.4.1 研究目的
        1.4.2 研究内容
2 样品制备及表征结果
    2.1 实验试剂及仪器
        2.1.1 实验试剂
        2.1.2 实验设备
2 纳米结构制备'>    2.2 MoS₂ 纳米结构制备
        2.2.1 直流电弧等离子体法
        2.2.2 Mo纳米粒子制备
2 纳米粒子制备'>        2.2.3 MoS₂ 纳米粒子制备
    2.3 样品表征手段
        2.3.1 X射线衍射图谱（XRD）
        2.3.2 拉曼光谱分析（Raman）
        2.3.3 X射线光电子能谱（XPS）
        2.3.4 透射电子显微镜（TEM）
        2.3.5 扫描电子显微镜（SEM）
        2.3.6 原子力显微镜（AFM）
        2.3.7 热重分析（TGA）
2 吸附/脱附分析'>        2.3.8 N₂ 吸附/脱附分析
        2.3.9 第一性原理计算
    2.4 样品表征结果
        2.4.1 样品晶体结构表征
        2.4.2 样品形貌表征
    2.5 本章小结
3 电池制备及电化学性能
    3.1 锂离子电池的制备与组装
        3.1.1 锂离子电池电极的制备
        3.1.2 锂离子电池的组装
    3.2 电化学测试技术
        3.2.1 恒流充放电测试
        3.2.2 循环伏安测试
        3.2.3 电化学阻抗谱测试
    3.3 电化学性能
        3.3.1 循环伏安曲线
        3.3.2 充放电曲线
        3.3.3 电化学阻抗曲线
        3.3.4 循环后形态分析
    3.4 本章小结
4 结论与展望
    4.1 结论
    4.2 展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢

【参考文献】

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本文编号：2886432