用于锂硫电池正极的硫化物复合材料的制备及电化学性能的研究
锂硫电池因其具有能量密度高、成本低和安全环保等优势而成为极具发展前景的储能器件。然而，硫正极的导电性差、穿梭效应导致的容量衰减以及循环过程中体积变化大，阻碍了锂硫电池的发展和应用。因此，需要设计新型正极主体材料及其结构。金属有机骨架材料(MOFs)由于其规则可调的孔道结构，超高的比表面积等特性，被广泛应用于吸附分离、催化、离子传导和能源存储等方面。过渡金属硫化物具有较强的极性，能够与LiPSs产生较强的相互作用，导电性较为优异，可以满足电极上电子的快速传导，其中CoS2在过渡金属硫化物中具有较高的电导率(6700S/cm),而且对LiPSs的极性吸附和催化能力优异。碳纳米管具有可增强体系导电性、比表面积大等优点。因此，本课题设计了以MOFs为模板与碳纳米管复合制备二硫化钴复合材料作为锂硫电池正极,具体工作如下: (1)通过原位复合制备了ZIF-67@CNT前驱体，后经碳化硫化得到CoS2@CNT@C多面体复合材料，并探索了最佳的CTAB和CNT添加量。其中CTAB作为表面活性剂调节了多面体的粒径(最佳粒径为80nm),CNT增强了体系的导电性。在最佳CTAB(0.05g)和CNT(0.5g)添加量下，复合材料作为锂硫电池正极时，0.2C下，最高放电比容量为1154.3mAh/g,经过100圈循环后容量为764mAh/g,容量保持率为66.2％。 (2)本章通过复合ZnS得到双金属硫化物ZnS/CoS2@CNT@C多面体复合材料，复合后的材料不仅能够提供更多的活性位点，通过双金属的协同作用，并提升了循环性能。在最佳CTAB添加比例下，ZnS/CoS2@CNT@C复合材料作为锂硫电池的正极时0.2C的最高放电比容量为1171mAh/g,在100圈循环后，可逆比容量为851mAh/g,容量保持率为72.6％。 (3)探索了以ZIF-67纳米片为模板，通过共沉淀后碳化硫化的方法合成了Co1-CoS2@CNT@C二维纳米片复合材料，以Zn为牺牲剂，成功制备了单原子Co,不仅增强了材料的导电性，而且提高了材料对LiPSs的吸附催化能力，并探索了Zn(NO3)2最佳的添加量。复合材料用于锂硫电池正极时，Zn(NO3)2添加量在0.15g时，在0.2C时循环100圈后仍有73.2％的容量保持率，在1C的大电流密度下，循环495圈仍有473.3mAhg-1的可逆比容量，平均每圈容量衰减率仅为0.029％。
锂硫电池;硫化物复合材料;电化学性能;正极材料
北京化工大学
硕士
材料与化工
贾梦秋;国海鹏
2023
中文
TM912;TM24
2023-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）