层状前体法制备石墨烯负载过渡金属硫化物及其电化学性能研究
锂离子电池使用领域的不断扩大和人们对便携式电子产品的迅猛需求量，推动了高功率密度、高能量密度、长使用寿命、价格低廉和环境友好的新型锂离子电极材料的不断研发。然而现阶段商用石墨碳负极材料存在着比容量低等问题，设计和制备性能优异的电极材料的可行性方案迫在眉睫。过渡金属硫化物因其来源广泛并且具有丰富的活性位点，可以作为多样化的电极材料，而受到广泛关注。但是过渡金属硫化物导电性差、体积膨胀严重等问题导致了其循环性能较差。众所周知，碳材料不仅具有优异的导电性，而且还可以有效抑制体积膨胀和保持结构完整性，所以通过碳材料修饰能弥补这些缺点。因此综合二者的优势，把两者结合起来制备成复合材料，实现材料性能的显著提升。本文以水滑石为前驱体，采用不同方法制备得到过渡金属硫化物和纳米碳材料的复合结构，将其分别应用于锂离子电池、超级电容器/钠离子电池领域并探讨了其结构与性能的构效关系。本论文主要研究内容与创新点如下: (1)采用共沉淀法制备SDS插层NiCoAl-LDH/G前体，经过硫化、三聚氰胺混合焙烧等步骤制备复合材料(Ni，Co)9S8/N-CNTs/G，并研究其储锂性能。XRD、HRTEM及XPS测试结果表明制备的物质为固溶体结构。SEM/TEM证明CNTs生长于石墨烯的表面，活性物质颗粒(Ni，Co)9S8被CNTs包裹。电化学测试结果表明在100mA·g-1电流密度下经过100圈测试之后，(Ni，Co)9S8/N-CNTs/G的比容量为797mA·h·g-1，与石墨烯负载的(Ni，Co)9S8(516mA·h·g-1)相比，其比容量显著提升，而且在1A·g-1时，400圈之后的比电容量为739mA·h·g-1。优异的储锂性能归因于CNTs的包覆结构，提高了循环稳定性。石墨烯片层的限域效应限制了碳纳米管的长度，短CNTs有利于电子的快速传输。此外碳纳米管中N原子的掺杂也增加了碳纳米材料的导电性。 (2)采用共沉淀法制备NiCo-LDH/3DGA，经过一步焙烧硫化，得到石墨烯气凝胶负载(Ni，Co)S2固溶体复合物。又利用水滑石层板元素可调的性质制备出另外两个固溶体硫化物((Ni，Fe)S2/3DGA和(Co，Fe)S2/3DGA)。三种材料的制备方法相同，都可以作为超电和钠离子电池的优选材料。电化学测试结果表明(Ni，Co)S2/3DGA复合材料的超级电容器性能优异（2264F·g-1，1A·g-1;750F·g-1，50A·g-1;78％，10A·g-1），同时三种材料也展现出很好的储钠性能。优异的电化学性能归因于石墨烯凝胶提供了适当的比表面积、孔径分布及更多的活性位点，从而提高电子/离子在电极内和电极/电解质界面间的传输速率。
电工材料;过渡金属硫化物;石墨烯;制备工艺;电化学性能
北京化工大学
硕士
化学工程
徐赛龙;孟杰
2017
中文
TM242
79
2017-08-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）