新型金属氧化物-硫化物的制备及其储能性能的研究

发布时间：2020-07-01 00:54

【摘要】：随着传统能源如石油、天然气等的大量消耗,人类对这类燃料的过度使用也带来了日趋严峻的环境问题,不可再生能源终将枯竭。而锂离子二次电池具有许多优良的性能,如极长的循环寿命、输出电压很高、能量密度大、充放电过程快速等,而被看作是最有前途的能源储存系统,并大量应用到日常生活所需的便携式电子产品中,并作为混合动力汽车、电动汽车的重要电源,逐步向大功率系统设备的领域发展。如今最为普遍的锂离子电池负极材料为碳类材料,但其理论容量较低,安全性不高的问题限制了该类材料在锂电中的进一步应用。而过渡态金属氧化物有着很高的理论比容量和丰富的来源,受到了研究者的广泛关注。然而,作为负极材料时,其电子电导率很低且在充放电过程中体积和内部结构会产生极大的变化,使得电池的不可逆容量变大,循环稳定性较差。将不同尺寸、不同形貌的过渡金属氧化物与其他纳米尺寸的材料进行复合可以很好的改善负极材料的电化学性能。本文以过渡态金属氧化物为主要研究对象,制备了Cu_2O纳米立方体、MoS_2/Cu_2O纳米复合物、Co_3O_4纳米片、MoS_2/Co_3O_4纳米复合物。通过X-射线粉末衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等测试方法对材料的尺寸、微观形貌、晶体结构进行研究分析,通过交流阻抗、循环伏安、恒流充放电、倍率充放电测试系统对合成材料的电化学性能进行探究。主要工作包括以下两个部分:1.根据已有文献,采用简单的液相剥离法,超声进行剥离制备超薄的MoS_2纳米片,通过水溶液法制备尺寸均一、体积较小的Cu_2O立方体,将两种材料搅拌进行复合即可得到MoS_2/Cu_2O纳米复合物。XRD和TEM结果表明,单一的Cu_2O立方体尺寸均一,但出现了明显的团聚现象,所制备的MoS_2/Cu_2O纳米复合物有效的缓解了Cu_2O立方体的团聚,Cu_2O立方体均一的负载在了MoS_2纳米片的表面。将单体与复合物分别作为锂离子电池的负极材料进行测试,结果表明,MoS_2/Cu_2O复合物显示出优于Cu_2O立方体的电化学性能。电流密度200 mA g~(-1)的条件下,MoS_2/Cu_2O电极材料的初次放电比容量为497.52 mAh g~(-1),循环50圈后的容量为519.2 mAh g~(-1),循环180圈以后,容量保持为524.9 mAh g~(-1),循环过程中的库伦效率能够维持在98%以上。因此得出结论,合成的MoS_2/Cu_2O纳米复合物不仅提高了MoS_2和Cu_2O电化学活性,同时两材料间具有一定的协同作用,缓解了电极材料的体积变化,供给了锂离子更大的的嵌入-脱出空间。2.将MoS_2粉末分散在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中,超声进行剥离,可获得超薄的MoS_2纳米片,并分散在水与乙醇成比例的溶液中。向MoS_2分散液中加入原料六水合氯化钴(CoCl_2.6H_2O)和六次甲基四胺(HMT),90℃条件下反应,将所得产物用马弗炉煅烧,得到MoS_2/Co_3O_4复合物。表征结果表明,水溶液法制备的Co_3O_4纳米片为六角片状,尺寸均一,形貌规整。复合后的材料表面较为毛糙。电化学测试结果证明,MoS_2/Co_3O_4复合物展现出明显优于Co_3O_4纳米片的电化学性能。恒定电流密度为200 mA g~(-1)时,MoS_2/Co_3O_4复合材料的初次放电比容量为1130.7 mAh g~(-1),循环55圈后,比容量达到了1013.3 mAh g~(-1)。电流密度为100、200、400、800 mA g~(-1)时,其比容量分别为1301.6、1099.7、960.5、763.5 mAh g~(-1).以上结果表明,柔韧性MoS_2作为基底,六角片状Co_3O_4生长在上面形成的复合结构可以为Li~+提供更多的活性位点,有效的调整电极材料在充放电循环过程当中发生的体积变化,保护了材料的原有结构,提高的材料的循环稳定性。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM912
【图文】：

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图 1-1 典型锂离子电池工作原理示意图[9]以正极材料和负极材料分别为图1-1所示的层状钴酸锂和石墨的锂离子二次电池为例，其正负极与电池总反应的方程式如下：正极反应:6C + xLi++ xe- LixC6（1-1）负极反应:LiCoO2 Li1-xCoO2+ xLi++ xe-（1-2）电池总反应：6C+LiCoO2 Li1-xCoO2+LixC6（1-3）商业生产中，负极片制备使用了相同的方法即经棍压工艺后制成，铜箔上所涂布的物质为嵌锂化合物与导电剂、粘合剂的均匀混合物；使用隔膜将正负极隔

锂离子电池,结构示意图,负极片,正极片

东南大学硕士学位论文上而下的正极片--隔膜--负极片--隔膜的顺序放好，卷绕之后得到电装入电池壳，进行热封装，再注入电解液，即可封口成型[14]。近池的种类随着锂离子电池系统的发展和不断完善而逐渐增多。市场子电池主要有平板型、纽扣型、棱柱型以及圆柱型四大类[15]。

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