二硫化铁/碳复合锂离子电池正极材料研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:wanyuequn
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二硫化铁(FeS2)/锂离子电池,具有高比能量、稳定的电压平台、原料廉价且丰富以及对日常用电设备电池有很好兼容性等特点而备受工业界的关注。长期以来,FeS2作为一次锂电池使用。要想实现FeS2/锂离子二次电池商业化应用,还需要解决几大难题,其中包括:脱/嵌锂过程材料体积变化大,反应生成聚硫化物与传统电解液发生反应,产物导电性差。本论文针对FeS2二次电池存在的多个问题,采用FeS2/碳复合的方式,提高了FeS2二次电池电化学容量和循环稳定性能。本论文主要研究成果如下:(1)实验通过蒸发诱导自组装法制备出多级孔碳,多级孔碳中微孔大孔组合更好的发挥材料结构优势。大孔碳囊作为FeS2合成场所,有限的碳囊空间抑制了晶体生长,得到小尺寸FeS2纳米晶粒。颗粒尺寸小,比表面积大,有助于活性物质进行快速、充分的电化学反应。多孔结构为反应过程中FeS2体积变化提供缓冲空间,释放其体积变化产生的应力,防止极片上活性颗粒粉化剥落。多孔结构作为锂离子快速传输通道,有利于电解液快速浸润,缩短离子传输距离。多孔结构封装的FeS2,可以减少电解液与活性物质之间发生的副反应,抑制聚硫化物溶解。碳网络骨架作为电子传输通道,提高了材料导电性。采用多级孔碳@FeS2复合的方式,可同时解决FeS2二次电池面临的多个问题。在1C倍率下,经过100周循环充放电,电池可保持720 mAh g-1较高的电化学容量。(2)本论文使用绿色、可再生资源木耳作为碳原料,通过木耳自身吸水膨胀的特性,成功将铁离子吸附到木耳体内。经过碳化、高温硫化处理,可制得生物质碳@FeS2复合材料。FeS2均匀分布在生物质碳基体中,碳导电基质提高了FeS2材料导电性。电池首次放电容量达到783 mAh g-1,80周循环充放电后,电化学容量依然保持在703 mAh g-1。复合材料同时拥有很好的倍率性能,在5C电流密度下,可保持约600 mAh g-1的电化学比容量,能满足大电流充放电要求。本论文采用简单的碳复合方式,将多级孔碳与FeS2复合,有效的提高了材料电化学性能。使用木耳作为碳源制备碳复合电极的方法,为可再生生物质材料在锂离子电池中的应用提供了新思路。
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