转化-合金化型金属硫化物负极材料制备及其储钠性能研究

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近年来,人类社会对太阳能、风能、潮汐能等清洁能源的需求越来越迫切,储能技术作为影响其发展的关键因素受到了人们的广泛关注。锂离子电池由于其能量密度大、循环寿命长及电压高等优点已经广泛应用于便携电子设备和电动汽车领域,然而,储量相对有限的锂资源导致了原材料价格的不断攀升,严重制约了其在大型储能设备中的应用。作为与锂离子电池相类似的电化学储能器件,钠离子电池由于钠资源的丰富储量以及相对低廉的开发成本,在未来大规模储能领域具有广泛的应用前景,正受到研究人员和产业界的重点关注,开发高性能钠离子电池负极已成为钠离子电池发展和应用的关键。其中,转化-合金化型金属硫化物(如SnS2, Sb2S3等)负极材料具有非常高的理论比容量,已成为钠离子电池负极材料研究热点。本文主要围绕该类高容量钠离子电池负极材料开展了系列研究工作,包括材料的可控制备、生长机理探索、复合结构设计和优化、以及电化学性能研究。  本研究分为五个部分:第一章介绍了钠离子电池的工作原理和研究背景;其后论述了钠离子电池电极材料的研究现状,并着重讨论了各类钠离子电池负极材料的发展状况,据此提出了本文的选题依据和研究内容。第二章介绍了本文中所用到的实验方法、试剂及仪器设备,介绍了材料形貌、结构和成分表征的常用技术和方法,以及扣式电池的组装方法和电化学性能的测试技术。第三章利用脉冲喷雾蒸发化学气相沉积(PSE-CVD)技术成功制备了SnS2纳米墙阵列(SnS2 NWAs)和SnS2纳米颗粒(SnS2 NPs),并直接应用于钠离子电池负极。研究了制备参数(如沉积温度、系统压力和沉积时间等)对薄膜形貌的影响,探讨了SnS2 NWAs和SnS2 NPs的生长机理,进一步研究了SnS2样品的电化学性能,系统阐明了形貌和微观结构对钠离子扩散系数、电池循环性能和倍率性能间的关联关系。研究表明,相比于SnS2 NPs,SnS2 NWAs中相互连接的纳米墙结构,提供了快速的电子和离子传输通道,同时充放电过程中结构也比较稳定,实现了电极快速且稳定的储钠,表现出优异的电化学性能。SnS2 NWAs在500 mA g-1的测试电流下能拥有576 mAh g-1的可逆比容量,而且循环稳定性也非常不错。同时,SnS2 NWAs有着优异的倍率性能,5 A g?1的测试电流下还能拥有~370 mAh g-1的比容量,是500 mA g-1时的64.2%。第四章利用不同比例的Sn源和Sb源混合溶液,制备出了一系列不同组成比例的SnS2/Sb2S3复合材料。探讨了原料比例对材料微观形貌的影响,重点对比了纯SnS2、纯Sb2S3与SnS2/Sb2S3电极的电化学性能,研究了材料的形貌与组成和电极性能(尤其是倍率性能)间的关联关系。通过PSE-CVD技术,高容量的SnS2和Sb2S3均匀地复合在一起,其形貌为纳米片和纳米棒的混合,为充放电过程中体积变化提供了缓冲空间。并且,与纯SnS2和纯Sb2S3相比,SnS2/Sb2S3复合材料由于其协同效应提高了转化反应和合金化反应的可逆程度,极大提高了其容量和倍率性能。当Sb2S3摩尔比例为60%时,SnS2/Sb2S3复合材料性能最好。在500mAg-1的测试电流下还能拥有655mAhg-1的可逆比容量,在10Ag-1的超高电流密度下,最大放电比容量为435mAhg-1,是0.2 Ag-1时的~63%。第五章总结了研究成果,并给出了未来发展的建议。
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