三维结构过渡金属硫化物的制备及储钠/储锌性能研究

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随着化石能源的逐渐枯竭和环境的日益恶化,对具备高能量密度和快充放电能力储能装置的需求不断增长。其中钠离子电池和水系锌离子电池受到了广泛关注。电极材料是研发高性能钠/锌离子电池的关键。具有高理论容量、大层间距离和可调控形貌等优点的二维层状过渡金属硫化物是颇具研究意义和应用前景的一类材料。但是,这类材料存在大体积膨胀、低电子电导率和易粉化团聚的缺点。为了解决以上问题,本文制备了由二维纳米片组成的三维结构的过渡金属硫化物,并对其储钠及储锌的机制进行了详细的探讨。本文主要内容如下:(1)V掺杂1T大层间距MoS2纳米片/碳布的制备及储钠性能研究。通过一步水热法在导电衬底碳布(CC)上原位生长具有大层间距的V掺杂1T相MoS2纳米片(V-MoS2@CC)。当作为钠离子电池负极材料时,V-MoS2@CC复合材料具有丰富的边缘位点和活性中心,较大的层间距有利于Na+的层间穿梭。V的掺杂增大了MoS2的层间距离,缓冲体积变化,有利于保持电极的完整性。以CC为导电衬底的层状结构复合材料有效地防止了MoS2在电化学过程中的团聚。200 mAg-1下,第一周期放电比容量可达1234.9 m Ah g-1。在大电流密度(1000 mAg-1)下经过100圈循环,比容量仅损失7.8%。说明V-MoS2@CC复合材料具有优异的储钠性能。(2)分级MoS2@MnS异质结空心微球及其储钠/储锌性能研究。以Mn CO3为模板,再进行水热反应,在反应过程中利用离子交换得到由分级纳米片与壳层组成的金属相MoS2@MnS复合空心微球。独特的分级空心结构可以为充放电过程中的体积变化提供缓冲空间,防止活性材料团聚。MoS2@MnS的异质结构的协同作用可以极大的提升存储离子的能力。当作钠离子电池负极时,在100 mAg-1电流密度下循环100圈后,比容量仍能达到606.5 m Ah g-1。在1000 mAg-1时,300次循环过后放电比容量仍为410.4 m Ah g-1。此外,作为水系锌离子电池正极时,在100 mAg-1时提供了340.1 m Ah g-1的高初始可逆比容量。1000 mAg-1高电流密度时,电极材料300圈循环过后容量为168.6 mAh g-1,具有优异的储锌性能。(3)纳米棒状MoS2@SnS复合材料的制备及储钠性能研究。通过共沉淀法得到Mo O3纳米棒模板,硫化后得到MoS2,最后利用溶剂热法在MoS2上生长SnS纳米片。将MoS2@SnS复合材料用作钠离子电池负极。100 mAg-1电流密度,初始放电比容量为819 m Ah g-1,初始库伦效率高达81.8%。在1000 mAg-1电流密度下电极材料经过300圈循环后比容量仅衰减了7.2%。优异的电化学性能一方面归功于MoS2@SnS异质界面的形成,使得电场发生了改变,离子和电子的分离与转移变快,从而加速了电化学反应的进行,另一方面是由于复合材料的分层结构可以缓解循环过程中的体积扩展,增大了电极材料的循环周期。
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