碳约束ZnP2复合材料的制备及电化学性能研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:JK0803zhaozhenhong
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能源问题一直都是全球各国关注的热点问题。伴随着全球变暖所引发的一系列自然灾害,我国在2020年在联合国大会提出了“双碳”目标,即力争在2030年实现碳达峰、2060年实现碳中和。在这种政策背景下,电动车行业实现快速发展,这也使人们对高能量密度和长循环寿命的锂离子电池(LIBs)需求日益增长。目前,商用锂离子电池负极材料普遍为石墨,其理论比容量(372 m Ah g-1)较低,所以燃眉之急是开发下一代负极材料。金属磷化物因其具有较高的比容量、较低的嵌锂电位、优良的金属导电特性和热稳定性,被广泛研究。ZnP2作为为数不多的合金型金属磷化物,有着较高的理论比容量(1477 m Ah g-1)和较低的工作电位(0.4 V),被认为是发展潜力十足的锂离子电池负极材料。然而,ZnP2嵌锂后形成的体积膨胀以及ZnP2的低导电率,会影响其电化学性能。目前解决此类问题的主要手段有材料纳米化、构建碳矩阵复合材料等。基于以上背景,本论文通过两步法制备了纯ZnP2,解释了其嵌锂过程。接着采用三步法制备了石墨层包覆ZnP2复合材料(ZnP2/GP),探究石墨(GP)的含量对ZnP2/GP复合材料电化学性能的影响。最后分析了相同质量比ZnP2/GP和乙炔碳包覆ZnP2(ZnP2/Ab)复合材料在储锂性能上的优缺点。本文主要工作内容及结论如下:(1)采用直流电弧等离子体蒸发法结合固相烧结法制备了ZnP2材料。SEM结果显示ZnP2为片状材料,层片厚度200 nm左右。对ZnP2首次嵌锂后的电极片进行XRD测试,结果表明嵌锂产物为Li3P和Li Zn。作为锂离子电池负极材料,在200 m A g-1电流密度下,经过200圈充放电循环后容量保持率仅为32.2%,循环后的电极片SEM图显示电极结构遭到严重破坏。(2)以ZnP2作为前驱体结合机械球磨法制备了三种比例的ZnP2/GP复合材料,SEM和TEM结果表明,ZnP2/GP复合材料为纳米片,厚度在16 nm左右,直径在300~400 nm范围内,并且形成了独特的“馅饼”碳包覆结构。作为锂离子电池负极材料,ZnP2/GP(85%)电极具有最佳的电化学性能,在200 m A g-1电流密度下经过200次循环后容量保持在658.2 m Ah g-1,容量保持率为94.4%。另外,在500 m A g-1大电流密度下循环350圈后仍提供517.9 m Ah g-1的放电比容量。(3)通过三步法制备的ZnP2/Ab复合材料,经过TEM表征结果显示其为碳包覆纳米颗粒,颗粒直径在100~200 nm范围内。作为锂离子电池负极材料,其首圈库伦效率达到73.7%,在200 m A g-1电流密度下经过100圈循环后放电比容量为856.4 m Ah g-1,相比较纯ZnP2和ZnP2/GP(85%)电极有显著的提升。另外,不同扫速CV分析得出,ZnP2/Ab电极的动力学反应机制主要为扩散过程控制,其中在0.1 m V/s扫速下,赝电容贡献率仅为18%。
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