Ⅷ-ⅥA族/碳复合纳米结构的制备及其储钠性能研究
能源供应和存储技术在现代社会的日常生产生活中至关重要。近几十年来,锂离子电池（LIB）技术的发展改善了人们的生活,尤其是在移动电子设备和零排放电动汽车方面的应用十分广泛。然而,随着全球人口数量的增加,有限而又稀缺的锂资源的快速消耗引发了人们的担忧,仅锂离子电池是否能满足日益增长的储能应用的需求目前尚不明确。为改善这些问题,最近的研究主要集中在可替代的储能系统上。钠是地球上最丰富的元素之一,在化学性质上类似于锂,成本低且易获得,因而钠离子电池（SIB）被认为是最有前途的储能和转换设备之一。与此同时,在找寻合适的钠离子电池负极材料方面也取得了进步,如碳材料,合金类材料等,其中过渡金属硫族化合物由于理论容量高,易获得和环境友好性等优点而备受关注。但是,过渡金属硫族化合物作为钠离子电池负极材料时也存在一定的问题,包括充放电过程中结构易粉碎,导电性差等,带来了较差的循环容量和倍率性能。因此,要改善这些问题发挥其优势,仍然是一项挑战。本文针对这些问题,设计合理的微观形貌和结构,促进电子/离子的迁移速率;通过与碳材料相结合改善其导电性和增加比表面积;也精心设计了坚固碳骨架外壳,为充放电过程中活性材料体积的变换提供了缓冲的空间,通过掺杂杂原子增加缺陷和活性位点以提升循环性能。具体的研究内容和成果如下:一、CoTe/rGO复合材料的制备及其储钠性能研究。过渡金属硫化物和硒化物由于理论容量高被广泛研究用于钠离子电池负极材料,然而,同是位于硫族的碲化物拥有更高的密度和更好的电导率却很少被研究用于钠离子电池负极材料。这里,通过简单的溶剂热法合成了具有不同形貌的CoTe材料。其中,CoTe纳米棒/石墨烯（CTNRs/rGO）复合材料和CoTe纳米管（CTNT）用作钠离子电池负极材料时,表现出优异的性能。通过非原位X射线粉末衍射,高分辨率透射电子显微镜和电子衍射的方法揭示了电极的电化学反应机理。其中,CTNR/rGO具有更好的性能,在50 mA g-1电流密度下经过100次循环后比容量为306 mA h g-1,即使在0.1 A g-1下经过200次循环后,容量仍为200 mA h g-1。优异的性能归功于与石墨烯相结合,增加了比表面积,提高了导电率和机械强度。因此,CTNR/rGO被认为是有潜力的钠离子电池负极材料。二、纺锤状N/S共掺杂的碳包裹FeS2的制备及储钠性能研究。黄铁矿（FeS2）由于其理论容量高,成本低,储量丰富和无污染等优点被认为是富有吸引力的钠离子电池负极材料。然而,在充放电过程中较差的导电性和巨大的体积膨胀导致了FeS2容量的快速衰减。这里,一种双组分的复合材料由纺锤状FeS2核和N/S共掺杂的碳外壳构成被成功制备,可以作为一种高效的钠离子电池负极材料。所以,FeS2@NSC复合材料在200、500和1000 mA g-1电流密度下循环100次后容量分别保持在571.3、528.6和475.9 mA h g-1。结果表明,组分-结构设计策略可以有效地提升储钠性能。三、纺锤状FeSe2@C纳米材料的制备及其储钠性能研究。设计具有高倍率和超长循环性能的钠离子电池负极材料已经吸引了众多研究者的关注,其中尺寸和形态的研究设计被认为是有效的策略之一。在本项工作中,一种纳米级纺锤结构的FeSe2@C复合材料被成功合成。在选用了合适的电压范围和醚基电解质后,在作为钠离子电池负极材料时表现出了优异的电化学性能。在高电流密度2和5A g-1下,不仅首次库伦效率分别高达91.9%和97.3%,且在2 A g-1电流密度下循环800次后可逆容量保持在305.3 mA h g-1,在5 A g-1高电流密度下循环长达1000次之后,可逆容量仍高达246.9 mA h g-1,显示了非常出色的储钠性能。
- 作者：
- 丁泱
- 学位授予单位：
- 安徽师范大学
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2020年
- 导师姓名：
- 方臻
- 中图分类号：
- TM912
- 关键词：
- 钠离子电池；碲化钴；硫化铁；硒化铁；碳材料；纳米材料；负极材料
-
- 基金项目：
- 国家自然科学基金