锂离子电池是一种二次电池,因具有充放电速度快、能量密度高等优点,在便携式电子设备、电动汽车等领域得到了广泛的应用。随着相关产业的快速发展,锂离子电池越来越受人们关注,但现有的锂离子电池并不能满足日益发展的需求。众所周知,锂离子电池的性能主要取决于负极材料,现有的商用锂离子电池使用石墨类碳作为负极,但其理论容量仅为372 mAh/g,难以支撑锂离子电池的进一步发展,因此开发具有低成本、高性能的负极材料是当前研究的主要内容之一。Zn、Sn、Si等元素能够与锂可逆的合金化,具有很高的理论容量,但它们体积膨胀的问题限制了这类材料的应用,一些研究者向其中引入其他元素,以改善材料的循环性能,有望制备出新一代锂离子电池负极材料。本文采用直流电弧法高效制备了纯锌前驱体,并通过简单的硫化工艺在不同温度下制备了Zn/ZnS负极材料。研究了材料的储锂机理,探讨了硫化程度对样品循环性能的影响规律,比较了不同结构硫化锌的性能优劣。得到了以下几点结论:(1)在本文的实验条件下,采用直流电弧法成功制备了纯锌负极材料。纯锌材料的硫化温度越高,样品硫化程度越高,350℃时样品完全转化为ZnS。样品的晶体结构也受硫化温度影响,随温度升高β-ZnS向α-ZnS转变。从SEM分析可知,纯锌前驱体形貌为球形,当样品被硫化后,球体间的边界随温度升高逐渐消失,并且锌转变为不同结构ZnS时样品形貌也发生变化。(2)在0.01-3 V范围内测试纯锌的CV,结果表明在2.5 V后发生副反应,造成了电池失效。纯锌电极反应分Zn与Li~+的合金化和LiZn的脱合金化两个阶段,分别位于还原0.5-0.01 V和氧化0.3-0.7 V。Zn/ZnS负极材料反应分为Li~+对Zn的置换(1.25-0.5 V,还原)、Zn与Li~+的合金化(0.5-0.01 V,还原)、LiZn的脱合金化(0.3-0.7 V,氧化)和ZnS的生成(1.37 V,氧化)四个阶段。(3)通过硫化纯锌材料制备了Zn/ZnS负极材料,通过硫化成功的提高了样品的循环性能。通过恒流充放电测试分析,样品循环性能随硫化温度先升高后降低,这与S元素造成的穿梭效应有关,在200-350℃硫化范围内,300℃的样品表现出了最好的循环性能,其性能远超纯锌或纯ZnS。(4)立方β-ZnS比六方α-ZnS表现出了更好锂离子导电能力。比较不同相组成的Zn/ZnS的CV曲线,ZnS中的立方β-ZnS含量越高,首圈还原反应0.76 V处的峰电流越大,代表了锂离子扩散的更深入。EIS测试也表明,立方β-ZnS含量更高的样品,在低频区的直线斜率更大,同样说明了锂离子在立方β-ZnS中扩散更快。