中空碳材料复合二硫化钨负极材料的结构设计与性能研究

来源 :天津大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lzd_1983
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二硫化钨(WS2)拥有与石墨烯相似的层状结构,在越来越多的领域受到重视,为半导体、光电探测器、电催化、光催化和储能等领域的发展提供更多的可能性。作为锂离子电池(LIBs)负极时,WS2具有理论比容量高(433 mAh g-1)、工作温度范围宽和层间距大等优点,但是体积膨胀和电子电导率差严重地限制了WS2电极材料的发展。为了克服WS2的缺点,本文设计了两种不同结构的WS2基复合材料用作LIBs负极材料,同时研究了结构设计对WS2基材料电化学性能的改善机理,研究了其电化学储锂性能。通过巧妙地设计“双面保护”结构,使得WS2纳米片原位生长在还原氧化石墨烯中空球(Hs-rGO)上。然后在最外层包覆一层氮掺杂石墨烯(NG),最终得到NG@WS2@Hs-rGO负极材料。作为LIBs的负极材料,NG@WS2@Hs-rGO负极在100 mA g-1的电流密度下拥有1309.4 mAh g-1高比容量和优秀的倍率性能(在4000 mA g-1的大电流密度下可逆比容量达166.1 mAh g-1)。更值得注意的是,当NG@WS2@Hs-rGO负极在1000 mA g-1的大电流密度下,经过320次循环后的放电容量为300.9 mAh g-1,相比于第10次循环后,电极材料的放电容量保留率高达106%。对于材料内部而言,弹性的Hs-rGO为WS2的体积膨胀提供了空间。对于材料外部而言,包裹NG的WS2不仅提高了电导率,而且为锂离子(Li+)的存储提供了更多的活性位点。通过合理设计“三层壳”负极结构,NG、WS2和多孔碳壳(PCS)可以发挥有效地协同作用。PCS含有丰富的官能团,在水热条件下促进了WS2纳米片的原位生长。外层NG保护层有效地减少了WS2与电解液之间的副反应。同时,NG提高了导电性、为Li+和钠离子(Na+)插入提供了更多的活性位点,从而提高了可逆比容量。在LIBs中,在2000 mA g-1大电流密度下循环510圈,PCS/WS2/NG负极容量可达324.7 mAh g-1。相比之下,纯WS2的容量仅为29.7mAh g-1,比PCS/WS2/NG低90.9%。在倍率性能方面,当电流密度为4000 mA g-1时,PCS/WS2/NG负极的容量比WS2负极高97%。对于钠离子电池(SIBs),在500 mA g-1的电流密度下,PCS/WS2/NG负极经过900圈循环后的放电容量为205.0 mAh g-1。在第900次循环的负极容量仅比第100次循环时的容量低23%。PCS/WS2/NG负极表现出非常稳定的电化学性能。
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