金属硫化物—石墨烯复合物的微波法制备及其在钠离子电池负极的应用

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锂离子电池目前广泛应用于手机等可移动电子设备。随着电动汽车的快速普及和大规模电网储能的提出,人们对锂元素的需求也在快速增长,相应的地壳中锂元素的有限储量及较高的价格也引起了人们的担忧。由于钠元素具有与锂元素类似的物理化学性质,且在地壳中储量丰富,分布广泛,价格低廉,因而钠离子电池被看作是锂离子电池的潜在重要替代者之一并且在最近得到了人们的广泛关注。钠离子电池的性能主要由电极材料决定,故而寻找高性能钠离子电极材料是目前研究热点。本论文中,我们主要研究了系列金属硫化物作为钠离子电池负极材料的电化学性能。所有工作均围绕在如何改善钠离子电池的循环性能展开。通过对材料进行石墨烯包覆,对材料进行热处理,更换电极制备过程中的粘结剂,在电解液中添加添加剂,优化电解液种类及充放电电压窗口等方式,最终改善钠离子电池的循环性能。具体工作如下:1.使用微波法制备了二硫化钼及不同石墨烯含量的二硫化钼-石墨烯复合材料并将之用作钠离子电池负极材料。结果发现,当在800℃下使用N2/H2对样品热处理2h,对充放电电压窗口进行优化并在电解液中添加5wt.%的氟代碳酸乙烯酯(FEC)电解液添加剂后,复合材料电极的循环性能得到了极大的改善,在100 mA g-1电流密度下经过50次充放电循环后,可逆放电比容量仍可保持在305 mAh g-1并表现出了优异的倍率性能。2.使用微波法合成了硫化镍及硫化镍-石墨烯复合材料并将其用作钠离子电池负极材料。分别探讨了热处理、粘结剂、电解液添加剂FEC以及复合材料中石墨烯含量等对钠离子电池电化学性能的影响。其中最优化条件为:样品在N2/H2气氛下600℃处理2 h,使用水性粘结剂羧甲基纤维素而非常规聚偏二氟乙烯,NaClO4/EP电解液中添加5wt.%的FEC,复合材料中石墨烯含量为35wt.%。此时,钠离子电池表现除了最优的综合电化学性能,在0.005-3.0 V电压范围内使用100 mA g-1电流密度充放电循环50次之后,可逆充电比容量仍可保持在391.6 mAh g-1。3.使用微波法合成了硫化锌及含有不同石墨烯比例的硫化锌-石墨烯复合材料并首次将之用作钠离子电池负极材料。通过对复合材料中石墨烯的比例进行优化,发现当石墨烯比例为31wt.%时,复合材料电极表现出了最优电化学性能:在0.005-3.0 V电压范围内,使用100 mA g-1电流密度恒流充放电循环50次后,可逆比容量仍可保持在481 mAh g-1并表现出了优异的倍率性能。4.使用微波法合成了硫化铜及含不同石墨烯比例的硫化铜-石墨烯复合材料并首次将之用作钠离子电池负极材料。分别探讨了电解液种类、充放电电压窗口以及复合材料中石墨烯的含量对钠离子电池循环性能的影响。其中最优条件为:电解液使用NaFS/DGM,充放电电压范围0.4-2.6 V,复合材料中RGO比例为26.7wt.%。此时,样品表现出了最佳的电化学性能,在100 mA g-1电流密度下循环50周比容量高达在392.9 mAh g-1,即使使用1 Ag-1电流密度充放电循环450次,比容量依旧可以保持在345.7 mAhg-1并且没有明显的衰减出现。
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