静电纺丝法制备金属硫族化合物负极材料及电化学性能研究

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锂离子电池具有能量密度高、使用寿命长、低毒环保等优点,目前已广泛应用于日常生产生活中。然而随着生活水平的不断提高和使用需求的不断增加,人们对锂离子电池为主的储能器件的使用期望也不断提升。另一方面,由于锂资源相对较少且分布不均,钠离子电池进入了人们的视野并已被广泛研究。钠离子电池具有能量密度高,使用寿命长、低毒环保、资源储量丰富等优点。本论文以高能量密度的金属硫族化合物(In2O3,SnSe)为研究对象,通过静电纺丝法制备与碳纤维复合的柔性膜材料,通过导电性提升和电极材料纳米化来优化其电化学性能,开发高性能锂离子电池/钠离子电池的负极材料。主要的研究成果如下:  (1)采用静电纺丝方法制备了一维In2O3/C纳米线构成的柔性、无粘结剂的自支撑膜,并将其作为负极材料用于锂离子电池研究。通过控制前驱体中物料比例与退火工艺参数,得到了优选的结果。通过扫描电镜与透射电镜观察其形貌结构,显示碳纳米线的直径约为600nm,长度为数微米,组成导电性良好的三维网状结构;In2O3纳米颗粒的直径在10~20nm左右,且均匀地分布在碳纳米线表面。一维In2O3/C纳米线复合材料具有较好的电化学性能,在100mA g-1的电流密度下,充放电循环400次后仍然具有435mA h g-1的高容量。碳纳米线有效缓解了充放电过程中的体积膨胀,同时碳作为优良的电子导体,使In2O3/C电极在充放电过程中具有更高的电子传递速率,展示出了良好的倍率性能和较低的电化学阻抗,并且在循环较多圈数后仍保持稳定的结构。  (2)通过水热法与静电纺丝合成了基于一维SnSe/C纳米线复合的柔性、无粘结剂的自支撑膜,并将其作为负极材料用于锂离子电池和钠离子电池的研究。通过扫描电镜与透射电镜观察其形貌结构,显示碳纳米线的直径约为300nm,长度为数微米,组成导电性良好的三维网状结构;SnSe纳米片的厚度在50nm左右,长度在1.5μm左右,被包裹在碳纳米线中且均匀地分布在网状结构中。一维SnSe/C纳米线复合柔性膜作为负极材料,在锂离子电池中,在电流密度为100mA g-1、循环400次之后仍具有598mA h g-1的比容量;在钠离子电池中,在电流密度为100mA g-1、循环250次之后仍具有240mA h g-1的比容量。同时,一维碳纳米线构成的三维导电网络和均匀分布的超薄SnSe纳米片,二者产生的协同作用使得SnSe/C柔性自支撑膜负极具有优越的循环性能和倍率性能。
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