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复合电极材料的制备及其高倍率电化学储能研究

【摘要】:生活中常用的二次电化学储能器件主要有铅酸电池、锂离子电池、镍铬电池、镍氢电池和液流电池等,其中锂离子电池由于其突出的能量密度和体积轻便而备受关注,除了便携电子产品,锂离子电池已经成为电动车/混合电动汽车用的主流电池,但是高容量密度的锂离子电池却面临着高功率输出和安全性的问题,这也是实际应用中锂离子电池遇到的瓶颈问题。锂离子电池是目前市场占有率最大的能源储存设备,其能量密度高、电位高、充放电稳定等因素都是其不可取代的主要原因,但是锂离子电池的功率密度仅为0.5-1.5 kW kg-1,至今在产业上没有显著的技术突破,无法满足高功率输出设备的需求。另外一种备受关注的储能器件是超级电容器,主要依靠电荷的吸附/脱附而储能。而超级电容器的高功率密度、快速充放电性能和数十万次充放电循环次数恰好拟补锂离子电池的不足。如何获得高能量密度的超级电容器成为技术攻关的关键。基于上述现存问题,本论文根据材料的结构特点,从零维结构、二维片状结构和三维空间结构逐一优化电极材料性能,主要内容如下:(1) Sn基化合物由于其较高的比容量值,一直被认为是最具潜力替代石墨作为锂离子电池的负极材料,但是由于嵌锂/脱锂过程中活性材料的体积变化导致的电极材料粉化等现象,而受到限制。本论文首先设计具有多孔结构的SnO2/Co复合材料,材料本身由10 nm的Sn02颗粒组成纳米球,纳米尺寸具有相对较低的绝对体积变化从而防止了电极材料的巨大体积变化,多孔结构为锂离子提供更多的嵌入路径。微量Co元素的掺杂可以改善电极材料的导电性能,同时有效抑制在电极材料在充放电过程中Sn颗粒的团聚。与纯Sn02材料相比较,这种SnO2/Co复合材料具有稳定的化学结构,使其与集流体保持良好的接触和高效的电子传递,提高了电极材料的电化学储能性质。(2) 由于纳米球体结构之间接触面积小,电子迁移路径不能满足高倍率电池的要求,我们利用液相冷凝回流法合成SnS2@rGO二维层状结构,SnS2纳米晶体以均质结构分布在GO表面。与常见的水热法相比,这种温和的反应条件和rGO表面官能团结构的协同效应,可以有效控制SnS2纳米晶的分布和尺寸,防止其团聚。而材料整体的二维结构为锂离子提供了双面嵌入路径,SnS2纳米晶与rGO的复合结构加快了离子和电子的迁移速度,使有SnS2@rGO电极材料在充放电测试时具有稳定的高倍率性能。(3) 多孔CoMoS3.13纳米片结构的电极材料通过水热法合成,多孔纳米片尺寸为20-30 nm之间,片层堆积小于10层。Co元素和Mo元素均是具有较高的电化学活性材料,因此将CoMoS3.13材料作为锂离子电池负极材料时,不仅展现了高比容量值,同时具有高倍率性能。由于多孔CoMoS3.13材料具有较高的比表面积,因此将多孔CoMoS3.13作为超级电容器电极材料,高比表面积为离子的脱附/吸附提供更多的活性位点,增加电极材料的比容量值,片层间的相互交叉堆叠也有利于电子的快速传递。(4) 高倍率电化学储能需要电极材料具有电子迁移距离短、迁移速度快,同时活性材料与电解液接触面积大,活性位点多等特点。基于上述原因,三维阵列结构CoNi2S4活性材料通过水热法制备,阵列CoNi2S4直接生长于集流体泡沫镍表面,作为电极材料时不添加任何其他导电剂、粘结剂和集流体。作为超级电容器电极材料,CoNi2S4阵列的纳米棒表面均匀生长小尺寸纳米片,增加电极材料在电解液中的接触面和活性位点,而阵列直接生长于集流体上,促进电子的迁移速率,缩短电子的迁移距离,从而使材料具有较高的比容量值和优异的倍率性能。

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