过渡金属钴掺杂氮化铌、硒化钼作为新型载硫材料在锂硫电池中的应用

来源 :山东大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:setsail2008
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锂硫二次电池被认为是极具商业应用前景的替代锂离子二次电池的新一代储能装置。由于其具有高的理论能量密度(2600 Wh kg-1)和理论放电比容量(1675 mAhg-1)、硫储量丰富且价格低廉等优点因而得到研究者越来越多的关注。然而,由于硫及其放电产物硫化锂导电性较差、多硫化锂易在醚类电解液中溶解产生严重的穿梭效应以及在循环过程中硫存在约80%的体积变化等问题,致使硫的利用率低下,库伦效率和容量的快速衰退,阻碍了其商业化应用。针对这些问题,本论文提出了新型载硫材料的可控设计,结合其对多硫化物优异的吸附能力,成功合成了钴掺杂氮化银多孔微球和MoSe2@C核壳结构纳米棒作为载硫材料,研究和测试该复合正极在锂硫二次电池的电化学性能。本论文的主要研究内容如下:(1)通过溶剂热反应和后续氨气中锻烧氮化,我们成功设计合成了 Co-NbN多孔微球并将其作为载硫材料应用于锂硫电池。其独特的多孔结构可以有效容纳多硫化物在循环过程中的体积变化,其丰富的反应活性位点能够捕捉多硫化锂,钴与氮化铌的协同作用有利于加速电化学反应动力学从而提高电化学性能。在72%高硫含量和1C下电池初始放电比容量高达984 mAh g-1并在稳定循环800周后仍保持404.5 mAh g-1的可逆放电比容量,容量衰退率仅有每周0.07%。在3.3 mgcm2的高硫面载量下展示出非常好的倍率性能,在1 C的倍率下容量达到~600 mAhg-1。在低电解液(E/S=8)5.6 mg cm-2的高硫面载量下仍表现出很好的电化学性能。因此,Co-NbN作为载硫材料在锂硫电池体系具有很好的应用前景。(2)首先采用水热法合成了钼基前驱体纳米棒,然后经过包覆碳和在氩氢混合气中锻烧硒化后得到了具有核壳结构的MoSe2@C纳米棒,然后将其与rGO复合作为有效的硫载体。所得材料独特的空腔结构能够有效容纳硫在循环过程中产生的体积变化,复合材料中极性的MoSe2颗粒能够通过强的化学限域作用有效吸附多硫化物,形成Mo-S键和Li-Se键,从而有效抑制穿梭效应,碳包覆和与rGO复合可以提高导电性,促进电子传导性。电池在0.2 C下,其初始放电比容量高达1144mAhg-1并且稳定循环120周后容量仍维持在740mAhg-1。此外,该复合正极在大电流密度和高硫面载量下均展现出了优越的电化学性能。
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