钴基硫化物复合材料的制备及在锂硫电池中的应用

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锂硫电池具有理论容量高(1675 mAh g-1)、能量密度大(2600 Wh kg-1)以及环境友好等优点,被誉为最有潜力的下一代二次电池之一。但由于单质硫和最终产物Li2S/Li2S2导电性很差,导致活性物质利用率低;硫锂化过程中接近80%的体积膨胀,造成电极材料结构的破坏,进而降低循环寿命;长链状多硫化锂在电解液中的溶解以及充电过程中产生严重的穿梭效应,极大降低了锂硫电池的库伦效率、缩短了电池的循环寿命。因此,急需开发具有良好的导电性、大空间缓解体积膨胀以及抑制穿梭效应的锂硫电池正极材料。本文针对锂硫电池存在的缺点,主要对正极材料进行了研究,相关工作如下:(1)不同形貌的Ni Co2S4/S的制备及电化学性能研究。探讨了NiCo2S4运用于锂硫电池正极材料的可行性:通过两步水热法制备了空心球状、管状和颗粒状的NiCo2S4,采用热处理法附硫,将得到的三种不同形貌的NiCo2S4/S进行电化学性能测试,研究样品的形貌对电化学性能的影响。实验结果表明具有空心结构的球状和管状NiCo2S4/S具有较好的电化学性能,而颗粒状NiCo2S4/S材料电化学性能较差。在0.1 C电流密度下,球状NiCo2S4/S的首次放电容量为803.7 mAh g-1,循环100圈后的容量为445.3 mAh g-1,而管状和颗粒状NiCo2S4/S的首次放电容量分别为821.9 mAh g-1和554 mAh g-1。循环100圈后的容量分别为405.9mAh g-1和322.2 mAh g-1。(2)不同石墨烯含量三维多孔rGO/NiCo2S4/S的制备及电化学性能研究。采用一步水热法制备了rGO/NiCo2S4,通过改变石墨烯的添加量得到了不同石墨烯含量的rGO/NiCo2S4,采用热处理法附硫。对不同石墨烯含量的rGO/NiCo2S4/S(G/S/S-1,G/S/S-2,G/S/S-3)进行电化学性能测试,研究石墨烯含量对电化学性能的影响,进而确定最佳石墨烯含量的rGO/NiCo2S4/S。实验结果表明,G/S/S-2展现出最好循环稳定性和倍率性能。在电流密度为0.1 C时,首次放电容量为953.5 mAh g-1,循环100圈后的容量仍保持在424.6 mAh g-1,而G/S/S-1和G/S/S-3的首次放电容量分别为749.8mAh g-1和968.4 mAh g-1,循环100圈后的容量仅为311.3 mAh g-1和353 mAh g-1。(3)叶状相互连接网络结构的MWCNT/Co9S8/S的制备及电化学性能研究。采用一步水热法制备了叶状相互连接网络结构MWCNT/Co9S8,然后通过热处理法附硫,得到了MWCNT/Co9S8/S。以MWCNT/S为对比样,系统的探讨了相互连接网络结构的MWCNT以及Co9S8对电化学性能的影响。实验结果表明MWCNT/Co9S8/S具有比MWCNT/S更好的电化学性能。MWCNT/Co9S8/S在电流密度为0.1 C时的首次放电容量为1124 mAh g-1,循环100圈后其放电容量为503 mAh g-1。然而MWCNT/S展现了较差的首次放电容量(713 mAh g-1)和更差的循环性能(循环100圈后放电容量仅为203 mAh g-1)。
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