金属硫化物基材料的可控制备及其在钾离子电池中的应用研究

作     者：谢俊鹏 

作者单位：暨南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：麦文杰

授予年度：2019年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：钾离子电池 金属硫化物 石墨烯 SEI膜 钾离子嵌入脱出 

摘      要：自从20世纪90年代锂离子电池商业化以来,锂离子电池受到了人们的热切关注。当前,便携式电子设备和电动汽车等已经颠覆了当今社会的运转方式,成为人类生产生活中必不可缺的一部分。然而,锂资源过低的丰度与高昂的价格限制了锂离子电池的进一步发展。研究人员开始把目光投向另一种廉价高效的新型二次电池:钾离子电池。钾资源具有的低成本和高能量密度,使其有希望部分补充甚至代替锂离子电池在大规模储能领域的角色。尽管如此,由于钾离子的半径相对较大,使其在电极材料中的脱嵌十分困难,从而影响了电极材料的循环稳定性和容量。因此,寻找一种低成本、高性能、适合钾离子脱嵌的电极材料,成为了当今钾离子电池领域中研究的重要一环。金属硫化物基材料由于其低廉成本和高理论容量,使其在钾离子电池中的应用具有良好前景。然而,其低导电性、高体积膨胀和循环过程中产生的副产物严重损害了其电化学性能。因此,我们围绕金属硫化物基材料进行深入研究,并设计FeS@RGO,NiCoS@RGO和SnS-RGO三种金属硫化物基材料,从电极材料设计、电解质优化、电解液选择等多角度对其储钾性能等展开系统性的研究,取得的结论如下:1.基于金属有机框架制备出空心纳米笼状FeS@RGO复合物,并对储钾性能进行深入探究,在50 mA g电流密度下首次可逆比容量高达351 mAh g,并在500 mA g电流密度下循环420次。经过非原位XRD测试分析可知,该材料在反应过程中存在嵌入反应和转换反应两种反应类型。2.利用水热法及后续硫化法制备出石墨烯包裹镍钴硫复合物材料,并通过有机钾盐调控,实现其储钾性能的优化。基于非原位表征分析结果,发现该钾盐中的有机阴离子能在电极材料中有效地形成稳定SEI膜,抑制钾枝晶的产生,同时减少循环过程的副反应,进行实现循环及倍率性能的显著提升。此外,我们通过对该材料在循环过程中进行动力学过程及非原位红外光谱分析,发现石墨烯的引入有助于提升了其在钾离子电池中的离子迁移率,同时展现出钾离子存储良好的可逆性。3.通过优化电解液的种类和浓度,进一步调控了SnS-RGO复合材料在钾离子电池中的存储性能。发现SnS-RGO电极在配合饱和醚类电解液在100 mA g电流密度下循环50次,其可逆比容量仍有436 mAh g。非原位测试分析证明,在饱和醚类电解液作用下,SnS-RGO电极能够形成具有更高理论比容量的KSn合金,可显著增强了电极材料在钾离子电池中的电化学性能。