高比容量锂离子电池负极材料的结构设计和储锂行为研究

来源 :兰州理工大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:danxiaoni
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锂离子电池(Lithium ion batteries,LIBs)具有重量轻、体积小、能量密度高、使用寿命长等优点,被广泛应用,但目前市面上流通的石墨烯锂离子电池因其较低的理论容量(372 mAh/g)已经不能满足人们的需求。过渡金属硫化物(TMSs)是LIBs的重要阳极材料,其理论比容量高,是石墨的三倍以上。特别是二硫化锡(SnS2)具有1231 mAh/g的理论比容量,是LIBs输出能量密度高的阳极材料,但在Li+嵌入/脱出过程中,引起体积膨胀,使电极粉化脱落,导致金属硫化物离子输运动力学缓慢,导电率降低。通过调整其形貌结构、并通过还原氧化石墨烯(Reduced Graphene Oxide,rGO)和碳纳米纤维(Carbon Nanofibers,CNFs)与SnS2复合,制备出高性能负极储锂材料。采用水热法合成了SnS2纳米片(Nanosheets,NS)、SnS2纳米花(Nanoflower,NF)和SnS2-NF@rGO。作为LIBs的负极材料进行电池的组装测试,SnS2-NF@rGO复合材料在0.5 C的倍率下循环350次后,具有525 mAh·g-1的可逆比容量,在2.0 C时具有412.5 mAh·g-1的可逆比容量,显著提高了SnS2-NS和SnS2-NF的储Li性能。详细的电化学阻抗谱(Electrochemical Impedance Spectroscopy,EIS)分析发现,SnS2-NF@rGO纳米复合材料的内阻由于Warburg系数的降低而大大降低。循环后的SnS2-NF@rGO的电导率是SnS2-NS和SnS2-NF电导率的三倍。使用恒电流间歇滴定法(Constant current intermittent titration,GITT)测试锂离子扩散系数DLi+,表明SnS2-NF@rGO中rGO的加入可以增强Li+扩散系数。二维层状结构rGO可以提供很好的电子电导率,其与SnS2-NF的复合材料SnS2-NF@rGO更合适作为高性能锂离子电池阳极材料。以水热法合成的SnS2-NF为原料,采用静电纺丝法制备了SnS碳纳米纤维。直接使用自支撑的SnS@CNF作为LIB的无粘结剂负极,在电流密度分别为0.064、0.1、0.3、0.6、1.0、1.5、2.0和0.1 A·g-1时的比容量为595、465、354、267、200、129、74和484 mAh·g-1。这样优秀的电化学由于是归因于纳米导电碳纤维网络不仅可以缓冲体积膨胀、防止活性物质的聚合、也提高锂离子移率迁移率(4.47×10-7 cm2·s-1),从而提高了锡基硫化物的电化学稳定性。上述两种改性方式可以有效降低电池内部的电阻、增加电池的循环稳定性,为有效提高锂离子电池负极材料的储锂性能出贡献。
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