黄铁矿FeS2核壳型复合材料的制备及其钠离子电池性能研究

作     者：敬亚平 

作者单位：郑州轻工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王诗文;闫新华

授予年度：2019年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：钠离子电池 复合材料 黄铁矿FeS2 核壳结构 正八面体 

摘      要：金属钠资源丰富、价格低廉,属于环境友好型材料,与金属锂有着相似的物理和化学性质,所构成的钠离子电池与锂离子电池具有相同的工作原理,其生产设备及工艺也相似。因此,钠离子电池有潜力成为下一代的二次电池。但是钠离子半径较大,致使适合做储钠的电极材料较少,故寻找、开发出高性能储钠电极材料成为目前研究钠离子电池的关键。黄铁矿FeS作为钠离子电池的电极材料,具有资源丰富,无毒环保,理论容量高等优点,成为目前研究的一个热点。但是在电池的循环过程中,其导电性差、体积膨胀过大和可溶性多硫化物穿梭等缺点,限制了它的应用。针对此问题,本论文采用多种策略对FeS做了复合改性,从而提高其电化学储钠性能。研究内容包括以下几个部分:(1)采用一步简单溶剂热反应制备出了边长为200 nm左右的FeS正八面体颗粒。利用葡萄糖作为碳源,对FeS进行包碳处理。经过高温退火和酸洗后,得到目标产物FeS@C,其具有极薄碳包裹(约4 nm)的正八面体核壳型多孔纳米颗粒结构形貌。当作为钠离子电池正极材料,在0.8-2.8 V的电压窗口下时,FeS@C在0.1C的首次放电容量为417 mA h g,在0.1C-10C的不同倍率下,相比未包碳的纯FeS,FeS@C表现出了优秀的倍率性能。当经过0.3C活化后,在10C的高倍率下循环2000周时,电池表现出了稳定的循环性能,其容量保持率达到89%。这表明修饰的碳层不仅能提高材料的导电性,而且还可缓解材料在循环过程中发生的粉化现象,从而提高FeS在钠离子电池中的电化学性能。(2)在上述包碳修饰的基础上,将退火前的包碳产物与石墨烯做进一步的水热反应处理。同样,经高温退火处理,不仅能使石墨烯还原,还可以提高材料的结晶度,再经过酸洗得到目标产物FeS@rGO,其具有三维网状核壳型结构形貌。在宽电压窗口0.01-2.9 V下测试结果表明:0.1C时的首次放电容量高达1090 mA h g,在0.1-4C倍率范围内,复合材料表现出优秀的倍率性能,当倍率返回0.1C时,可逆容量又回升到了802 mA h g。在大倍率4C下循环1000周,FeS@rGO电极的循环曲线最终趋于一条水平直线,除了首次循环,库仑效率(CE)保持在99.9%左右。无论是倍率性能还是循环性能都要远远高于纯的FeS,这表明FeS@rGO电极经受0.8 V以下的转换反应时,仍具有优异的电化学性能,说明石墨烯和碳包裹的双重作用能够缓解转换反应带来的材料体积膨胀的问题。(3)以FeS正八面体颗粒为硬模板,钼酸铵为钼源,进行一锅水热反应,制得纳米片状MoS包裹的FeS@MoS核壳型复合物,其包裹的纳米片状MoS的厚度约50nm。在0.8-2.8 V的电压窗口下,对复合材料做了电化学性能测试,在0.1C时的首次放电容量达到424 mA h g,在0.1-4C不同倍率下,复合材料表现出了良好的倍率性能,当倍率返回到1C时,可逆容量又回升到了228 mA h g。在4C倍率下循环600周之后的可逆容量仍有129 mA h g,与纯的FeS的电化学性能相比,其比容量、倍率性能和循环稳定性均有所改善,这充分说明了纳米片状MoS修饰后的复合材料FeS@MoS与电解液体系具有更好的兼容性,其材料利用率和稳定性也得到了提高。