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负极炭基硫化铁复合材料制备与储锂性能生

收藏本文 2024-03-26 点赞:6897 浏览:22432 作者:网友投稿原创标记本站原创

摘要:二次电池作为环境友好型的能源利用方式已被人们普遍接受,其中锂离子电池具有较高的能量密度和循环稳定性而成为目前二次电池的最热门探讨方向。随着运用领域的扩大和消费者对锂离子电池需求的不断增加,石墨化炭材料作为负极材料(论述储锂容量372mAhg-1)已不能满足新领域(如电动汽车、电动工具和储能电站)的运用需求,容量更高、循环稳定性好以及具有快速充放电能力的锂离子电池系统亟待开发。本探讨课题目的在于利用硫化铁材料的高储锂容量(FeS和FeS2的论述储锂容量分别为609和894mAhg-1)、易于合成的优点,和纳米炭材料结构稳定、导电性好等优点,通过合成炭基硫化铁复合材料,来弥补硫化铁电极材料循环稳定性差、利用效率低的缺点,制备一种储锂容量高,循环性能(尤其是倍率循环性能)好的复合电极材料,使其具有作为锂离子电池负极材料的潜力。首先,分别通过高压反应釜系统的催化热解法和溶剂热反应系统,制得两种炭基硫化铁复合材料——空心化碳包覆硫化铁纳米颗粒(Carbon encapsulated iron sulfide nanotructure,FeS@C)和硫化铁/纳米炭片组装体(Iron sulfide/carbon nanosheets aggregation,FeS/CNS),通过比较实验结果浅析探讨了两种结构的形成机理:(1)FeS@C的形成经历两个历程,即碳源分子通过Fe催化剂颗粒的催化热解以及溶剖析出机制生成规则排列的碳壳层结构,随后硫通过Kirkendall效应在包覆颗粒的表面向其内部发生扩散,诱导核心的Fe向外层迁移,最终在核心与包覆层间形成空隙;(2)FeS/CNS的形成有以下几个步骤,硫与二茂铁中的铁结合生成硫化铁微晶,随后碳源分子在晶体表面催化生成CNS结构,CNS结构间为降低表面能而发生团聚现象,形成微米级的组装体颗粒。分别考察了上面陈述的两种材料作为锂离子电池负极材料的储锂性能,结果发现两种材料中硫化铁的利用率都较高,材料整体都体现出较高的储锂容量和较好的循环稳定性:(1)芳烃重油碳源制备的FeS@C材料中,硫化铁的含量为15.41Wt.%,其中硫化铁的储锂利用效率达91.8%,其50mAg-1电流密度下测得可逆容量633.4mA hg-1,首次库伦效率68.7%,50次循环中每循环容量衰减率0.75%,在5000mA g-1下循环50次测得容量为294.1mA hg-1,为50mA g-1相同循环次数下测得容量(434.4mA hg-1)的67.7%;(2)经过600℃炭化处理后的FeS/CNS材料中,硫化铁含量为60.80wt.%,在50mA g-1电流密度下的可逆容量达977.8mA hg-1,首次库伦效率62.5%,经过50次循环后,容量为736.9mA hg-1,每循环容量衰减率0.52%,电极中硫化铁的利用率高达104.8%。电极在500,1000,2000和5000mA g-1的电流密度下的首次可逆放电比容量分别为782.7,734.4,555.8和541.2mA hg-1,经过50次循环后放电容量为524.2,419.0,383.0和346.7mA hg-1,说明FeS/CNS具有非常好的倍率循环性能。FeS/CNS组装体中的CNS结构是多层石墨烯单片层堆叠而成的银耳状石墨烯组装体(Tremella-pke Graphene Nanosheets, T-GNS),具有很好的储锂潜力,有望成为一种新型的炭质负极材料。不同的炭化温度能转变T-GNS片层中单层石墨烯的层数、硫及孔结构的含量,以而影响材料的电化学性能。通过电化学测试我们发现,1000℃炭化处理得到CNS结构(T-GNS-1000)的电化学行为类似单层石墨烯结构,同时也体现出表面孔结构的储锂行为:在50mA g-1的电流密度下可逆容量达528.7mAhg-1,经过50次循环后容量为413.5mAhg-1,每循环的容量衰减率为0.48%,体现出了良好的循环性能;在5000mAg-1的电流密度下循环50次可逆容量为225.6mA h g-1(为50mA g-1容量的54.5%),每循环容量衰减率0.15%,倍率循环性能良好。利用FeS/CNS的特殊结构可通过归中反应(comproportionation reaction)得到一种硫/纳米炭片复合材料(sulfur/carbon nanosheets composite, S/CNS),该结构能有效抑制单质硫在有机电解液中的溶解,减缓硫电极在有机电解液中的自放电现象,同时CNS结构可以将充放电中间产物多硫化锂(Li2Sn)吸附在表面,减少活性物质的损失,使材料保持较好的循环性能。在硫含量为20.18wt.%的S/CNS电极中,50mA g-1电流密度下首次放电容量为2302.9mA hg-1,可逆放电容量为1332.7mA hg-1,首次库伦效率为57.8%,50次循环后容量为854.3mA hg-1,每循环容量衰减率0.88%,其中硫体现出了很高的利用效率,使S/CNS有望成为一种新型的Li/S电池正极材料。关键词:锂离子电池论文负极材料论文硫化铁论文碳包覆论文纳米炭片论文石墨烯论文锂硫电池论文

    摘要6-10

    ABSTRACT10-25

    第一章 绪论25-52

    1.1 引言25-26

    1.2 锂离子电池概述26-37

    1.2.1 锂离子电池结构及工作原理26-29

    1.2.2 锂离子电池正极材料29-30

    1.2.3 锂离子电池负极材料30-37

    1.3 硫化铁电极材料37-47

    1.3.1 硫化铁晶体结构37-39

    1.3.2 硫化铁电极材料的制备策略39-45

    1.3.3 硫化铁的储锂运用探讨进展45-47

    1.4 炭基复合负极材料47-50

    1.4.1 碳包覆复合负极材料47-49

    1.4.2 石墨烯复合负极材料49-50

    1.5 论文的立题依据及主要探讨内容50-52

    1.5.1 论文选题的目的和作用50-51

    1.5.2 论文的探讨内容51-52

    第二章 材料制备表征策略52-67

    2.1 探讨案例52

    2.2 实验所用原料及化学试剂52-56

    2.2.1 材料合成用原料52-55

    2.2.2 电池组装用原料55

    2.2.3 其他化学试剂55-56

    2.3 实验设备56-58

    2.3.1 材料的制备设备56-58

    2.3.2 材料性能表征仪器58

    2.4 材料的制备策略58-62

    2.4.1 碳包覆硫化铁纳米结构FeS@C的制备策略58-60

    2.4.2 硫化铁/纳米炭片组装体FeS/CNS的制备策略60-61

    2.4.3 银耳状石墨烯组装体T-GNS的制备策略61-62

    2.4.4 硫/纳米炭片复合材料S/CNS的制备策略62

    2.5 材料的组成结构表征策略62-64

    2.5.1 X射线粉末衍射浅析XRD62-63

    2.5.2 透射电子显微镜成像浅析TEM63

    2.5.3 场发射扫电子显微镜成像浅析FE-SEM63

    2.5.4 高分辨透射电子显微镜成像浅析HRTEM63

    2.5.5 热-示差扫热浅析TG-DSC63

    2.5.6 X射线光电子能谱浅析XPS63-64

    2.5.7 傅叶变换红外光谱浅析FT-IR64

    2.5.8 曼Raman光谱浅析64

    2.5.9 Brunauer-Emmett-Teller BET比表面积及孔分布测试64

    2.6 材料的电化学性能测试64-67

    2.6.1 测试电池的制作64-65

    2.6.2 恒流充放电测试65

    2.6.3 循伏安交流阻抗测试65-67

    第三章 碳包覆硫化铁纳米结构FeS@C的形成机理探讨67-99

    3.1 引言67

    3.2 芳烃油碳源FeS@C的形成机理67-86

    3.2.1 芳烃油碳源Fe@C结构的形成机理67-77

    3.2.2 芳烃油碳源FeS@C结构的形成机理77-86

    3.3 均四甲苯碳源FeS@C的形成机理86-97

    3.3.1 均四甲苯碳源Fe@C结构的形成机理86-92

    3.3.2 均四甲苯碳源FeS@C结构的形成机理92-97

    3.4 小结97-99

    第四章 碳包覆硫化铁纳米结构FeS@C的储锂性能探讨99-117

    4.1 引言99

    4.2 芳烃油碳源FeS@C H-FeS@C的储锂性能99-107

    4.2.1 H-FeS@C的循充放电性能99-103

    4.2.2 H-FeS@C的倍率循性能103-105

    4.2.3 H-FeS@C的循伏安曲线105-106

    4.2.4 H-FeS@C的交流阻抗曲线106-107

    4.3 均四甲苯碳源FeS@C D-FeS@C的储锂性能107-115

    4.3.1 D-FeS@C的循充放电性能107-110

    4.3.2 D-FeS@C的倍率循性能110-112

    4.3.3 D-FeS@C的循伏安曲线112-113

    4.3.4 D-FeS@C的交流阻抗曲线113-114

    4.3.5 包覆结构电极储锂性能的影响114-115

    4.4 小结115-117

    第五章 硫化铁/纳米炭片组装体FeS/CNS的形成机理探讨117-145

    5.1 引言117

    5.2 FeS/CNS的形成及影响因素117-135

    5.2.1 溶剂热反应温度前驱体结构的影响117-121

    5.2.2 邻甲酚的添加前驱体形貌的影响121-123

    5.2.3 S/Fe(原子比)前驱体结构的影响123-125

    5.2.4 溶剂热反应时间前驱体结构的影响125-128

    5.2.5 炭化温度FeS/CNS的影响128-133

    5.2.6 硫化铁CNS的结合形式133-135

    5.3 FeS/CNS的形成机理135-144

    5.3.1 前驱体的形成机理135-139

    5.3.2 炭化历程中前驱体的结构变化139-143

    5.3.3 邻甲酚CNS孔结构的影响143-144

    5.4 小结144-145

    第六章 硫化铁/纳米炭片组装体FeS/CNS的储锂性能探讨145-161

    6.1 引言145

    6.2 前驱体的储锂性能145-146

    6.3 FeS/CNS的储锂性能146-155

    6.3.1 炭化温度材料储锂性能的影响146-148

    6.3.2 FeS/CNS的倍率循性能测试148-151

    6.3.3 FeS/CNS的循伏安曲线151-154

    6.3.4 FeS/CNS的交流阻抗曲线154-155

    6.4 FeS/CNS储锂性能高的理由155-159

    6.4.1 CNS结构的作用155-157

    6.4.2 硫化铁晶体尺的影响157-159

    6.5 小结159-161

    第七章 银耳状石墨烯组装体T-GNS的储锂性能探讨161-185

    7.1 引言161

    7.2 T-GNS的结构组成161-171

    7.2.1 T-GNS-600的结构组成161-165

    7.2.2 T-GNS-1000/2800的结构组成165-171

    7.3 T-GNS-600/1000/2800的储锂性能171-183

    7.3.1 T-GNS-600的储锂性能171-177

    7.3.2 T-GNS-1000/2800的储锂性能177-183

    7.4 小结183-185

    第八章 硫/纳米炭片复合材料S/CNS的储锂性能探讨185-201

    8.1 引言185-186

    8.2 S/CNS复合材料的结构组成186-191

    8.2.1 同硫含量的S/CNS制备案例186-187

    8.2.2 S/CNS前驱体的结构组成187-189

    8.2.3 S/CNS的结构组成189-191

    8.3 S/CNS复合材料的储锂性能191-199

    8.3.1 硫电极的自放电象191-192

    8.3.2 S/CNS的循充放电性能192-194

    8.3.3 S/CNS的循伏安曲线194-195

    8.3.4 S/CNS的倍率循性能195-198

    8.3.5 S/CNS的交流阻抗曲线198-199

    8.4 小结199-201

    第九章 结论201-203

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