Sb2S3和Sb2O3纳米棒的合成及其二次碱金属电池应用

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作为电池的重要组成部分之一,负极材料的性能对电池性能起着决定性作用。在近年来的研究中,传统的嵌入型负极材料如石墨等由于理论容量偏低这一难以改变的因素严重限制了其发展。合金化和转换型材料则因为具有高容量被认为是下一代二次电池最有潜力的负极材料,其中研究最多的便是金属硫化物和金属氧化物。但是这类材料本身导电性较差,同时在反应过程中会发生巨大的体积变化;这会导致电池的倍率性能和循环稳定性较差。另一个限制这类材料商业化应用的因素则是,这类材料的合成过程大多比较复杂并且对于反应条件有着严格的限制使得在生产中很难做到大规模高效的合成。而对于这类材料的研究同样存在一些空白区域,很少有人对同一种材料在多种碱金属离子电池的应用有系统性的研究,并对其在不同电池中的储能机理进行分析比较。为了给解决上述问题提供一个良好的思路和方向,同时也为后来者研究锑基材料的储能性能提供理论基础。本论文从寻找低成本高效率的的合成方法入手,分别合成了Sb2O3、Sb2S3和Sb2S3@PPy纳米棒。然后对Sb2O3在钠离子电池中的电化学性能进行了研究,并系统的研究了Sb2S3@PPy在锂钠钾离子电池中的电化学性能,并对它们的储能机理进行了分析对比主要结果及结论如下:(1)以锑粉为原材料,利用常温搅拌的方法合成了Sb2O3,并通过对反应条件的调控合成了不同尺寸的Sb2O3,随后对所合成材料和材料的的储钠性能进行了分析表征。其中纳米级的Sb2O3拥有更加优异的储钠性能,当电流密度为0.1A g-1时初始可逆容量为440 mAh g-1,经40圈的循环后容量仍高达360 mAh g-1,可逆容量比微米级的Sb2O3高出24%。说明了纳米结构有利于电化学性能的提升。(2)以氯化锑和九水硫化钠为原材料合成了尺寸更小的Sb2S3纳米棒,然后以其为模板利用常温搅拌的方法合成了Sb2S3@PPy纳米棒。将两种材料在锂离子和钠离子电池中性能的对比说明经过导电聚合物聚吡咯的包覆,有效的解决了Sb2S3的导电性差和循环过程中结构破坏导致的容量衰减问题。随后本工作对Sb2S3@PPy在三种碱金属离子电池中的储能性能进行了系统的研究。Sb2S3@PPy在三种电池中均表现出十分优异的电化学性能,尤其是在钠离子和钾离子电池中性能超过了大部分报道的同类材料。在钠离子电池中,当电流密度为0.1 A g-1时,初始可逆容量高达940 mAh g-1,循环50圈后仍高达880 mAh g-1,是同种材料报道中的最高值。在钾离子电池中,初始可逆容量为700 mAh g-1,循环18圈后仍然保持在490 mAh g-1。随后将Sb2S3@PPy在三种电池中的储能机理进行了对比分析,发现在钠离子电池中的储能过程充放电曲线无明显平台循环伏安曲线无明显氧化还原峰,锂离子电池中这些特征十分明显,钾离子电池中的过程则介于二者之间。
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