锡基硫化物复合材料制备及储钠性能研究

来源 :中国矿业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:gebmmi
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由于当前的环境问题和化石燃料的缺乏,锂离子电池(LIB)因其重量轻、能量密度高,对下一代能源至关重要。然而,锂资源的短缺限制了锂离子电池的大规模应用。考虑到钠元素的资源丰富和成本较低,钠离子电池(NIB)在大规模应用中通常被认为比商业锂离子电池(LIB)更具竞争力。然而,由于Na+的半径比Li+大,导致充放电过程中体积膨胀较大,因此探索合适的电极材料,尤其是钠离子电池的阳极材料仍然是一个巨大的挑战。锡基硫化物因为拥有较高的理论容量,生产成本低等优势,越来越吸引人们的关注。可惜的是,锡基硫化物的商业使用中仍存在着许多问题,包括在循环过程中体积的迅速膨胀,以及导电性较差等缺陷。为了克服这些缺陷,本文围绕锡基硫化物的结构及与碳材料的复合,来改进锡基硫化物的电化学性能。结果如下:(1)通过水热法制备了锡基硫化物,以无水乙醇为溶剂,在三种不同的水热合成温度(140℃、160℃和180℃)下,探索最佳的锡基硫化物水热合成温度。通过调控不同的温度,调节了锡基硫化物的形貌,得到了具有特殊形貌的花状结构的产物。进行电化学性能的测试,并利用弛豫时间分布(DRT)分析电化学阻抗谱(EIS)。在160℃下合成的Sn S2材料,在电流密度200 m A g-1下,第一次循环拥有324.5 m Ah g-1和894.6 m Ah g-1的充放电容量,库伦效率36.3%,经过100次循环后,可以保持265.8 m Ah g-1的可逆容量,容量保持率为29.7%。在大电流密度1 A g-1下循环100圈后,拥有102.2 m Ah g-1的可逆容量,第一次循环的充放电容量分别为186.4 m Ah g-1和238.1 m Ah g-1,库伦效率78.3%,容量保持率为42.9%。(2)为了提高电极材料的导电性,减缓在循环过程中的体积膨胀,利用水热法将还原氧化石墨烯(RGO)与Sn S2材料进行复合。溶剂为无水乙醇,通过改变反应体系的溶剂,得到了两种复合材料,对比两种复合材料的形貌和电化学性能。Sn S2纳米颗粒均匀分布在石墨烯片层上。在循环过程中,石墨烯片层为Sn S2提供了一个稳定的结构,减缓在充放电循环中的体积膨胀,并同时提高了材料的导电性。进行电化学性能的测试,利用弛豫时间分布(DRT)分析电化学阻抗谱(EIS)。Sn S2-RGO材料在电流密度200 m A g-1下,首周放电容量为1100 m Ah g-1,首圈库伦效率可以达到85.1%。在1 A g-1的大电流密度下,首周库伦效率为86.9%,循环100圈,可以保持210 m Ah g-1的可逆容量,容量保持率为56.1%。相较于Sn S2材料,Sn S2-RGO材料的电化学性能得到了显著的提高。(3)MXene材料是一种由Max陶瓷经过HF刻蚀之后得到的一种类石墨烯二维材料。将TMAOH加入到刻蚀后得到的手风琴状MXene材料中,继续扩大了材料的层间距,得到了片层状的MXene,将高导电性MXene与理论容量较高的Sn S2材料通过水热法进行复合,得到了产物MXene@Sn S2。Sn S2纳米颗粒均匀分布在MXene片层上。进行电化学性能的测试,并利用弛豫时间分布(DRT)分析电化学阻抗谱(EIS)。在200 m A g-1的电流密度下,第一次充放电循环的库仑效率可达96.2%,充放电容量可以分别达到531.2 m Ah g-1和552.4 m Ah g-1。与Sn S2、Sn S2-RGO材料相比,首周库伦效率最高。此外,MXene@Sn S2材料在1 A g-1的大电流密度下,首周充放电容量分别为277.7 m Ah g-1和334.8 m Ah g-1,首周库伦效率为82.9%,在100次循环后仍能保持288.1 m Ah g-1的可逆容量,容量保持率为86.0%。容量衰减很小。本论文由图44幅,表8个,参考文献135篇。
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