锂离子电池负极材料FeS2和MgS的制备与改性及其电化学性能研究

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节能减排,开发绿色可再生能源是当今时代发展的必然趋势。加上各种小型随身电子产品以及新能源汽车行业发展迅猛,人们对储能器件的要求日益提高。锂离子电池因具有工作电压高、能量密度大,循环寿命长,使用温度范围宽以及环境友好等优点受到越来越多的关注。然而,目前商业化的锂离子电池负极材料广泛应用的是石墨类碳负极材料,比容量仅为372 mAh g-1,其较低的容量和功率密度尚不能满足电动汽车和一些其他大型用电设备的需求。因此,针对锂离子电池负极材料,如今的重点研究工作是开发比容量更高,循环寿命更长,更加安全以及低成本的新型电极材料。硫化物凭借其优异的电学性能,储量丰富,以及无毒无害等优点被视为可行的下一代锂离子电池负极材料。本文主要开展了对过渡金属硫化物(FeS2)和非过渡金属硫化物(MgS)的研究,并分别通过包覆和掺杂进行结构调控,来改善两者作为锂离子电池负极材料的电化学性能。(1)采用球磨辅助加固相烧结法合成了过渡金属硫化物FeS2,并进一步分别利用蔗糖(C)和导电聚合物(PANI)对其进行包覆,得到FeS2/C和FeS2/PANI复合材料。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、红外(IR)和热重(TGA)等表征方法对FeS2、FeS2/C和FeS2/PANI的组成、结构及微观形貌进行了表征和分析。结果表明实验过程中成功制备了FeS2、FeS2/C和FeS2/PANI三种目标产物,纯FeS2呈现由一次颗粒堆积成的棒状二次颗粒,宽度在160320 nm,长度在0.81.2μm,而在复合材料中,FeS2被均匀的包裹在了C和PANI里面。在提高了导电性的同时,有效的避免了与电解液直接接触发生的副反应,以及对充放电过程中材料的体积变化起到了一定抑制作用。电化学测试结果表明,复合材料FeS2/C和FeS2/PANI作为锂离子电池负极材料所展现出的综合性能要高于纯FeS2,尤其是在循环寿命和大电流密度充放电表现上。其中FeS2/C作为锂离子电池负极材料表现出更加优异的倍率性能和循环稳定性能。(2)同样采用球磨辅助加固相烧结法合成了非过渡金属硫化物MgS。并通在合成过程中掺杂Sn元素得到MgS/SnS材料。采用XRD、SEM等方法对所制备的负极材料进行了表征。通过电池性能测试分析,MgS作为锂离子电池负极材料,其电化学性能一般,存在导电性差以及放电比容量较低的情况,但循环稳定性表现较好。Sn的掺杂使材料放电容量有了大幅度提升,但循环寿命较差。从数据上来看,材料的综合性能有了一定提高。
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