碳复合钴基双金属硒化物的制备及其储锂/钠性能研究

作     者：黄源琼 

作者单位：湘潭大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨利文

授予年度：2021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：锂离子电池 钠离子电池 双金属硒化物 微球结构 碳复合 

摘      要：日益加剧的能源短缺和环境问题激发了人们寻找高效、绿色、环保的储能设备的热情。拥有高能量密度和长循环寿命的锂离子电池已广泛地应用于电子设备、能源汽车及化学储能设备。由于充放电机制与锂离子电池相似,且资源丰富、成本低、绿色环保,钠离子电池也引起了广泛的关注。负极材料是是提升锂/钠离子电池综合性能的关键之一。传统的锂离子电池石墨负极比容量偏低。另一方面,由于钠离子的半径及相对质量比锂离子大,适用于锂离子电池的负极材料并不一定适用于钠离子电池。因此,开发高性能的适用于锂/钠离子电池的负极材料具有重要的科学和应用价值。由于其高理论容量及弱的金属-硒键,金属硒化物是很有潜力的锂离子/钠离子电池负极材料。相对于单金属硒化物,双金属硒化物具有双金属协同效应和更丰富的氧化还原活性位点,更有利于提高储锂/钠性能。不过,金属硒化物在充放电过程中会发生膨胀,导致其循环稳定性较差。针对以上问题,本论文通过微纳结构调控及与碳复合的组合策略缓解双金属硒化物的体积膨胀问题,提高储锂/钠性能。主要研究内容和结果如下:(1)通过对钴钼甘胺酸球进行水热硒化,合成了CoSe-MoSe中空微球。然后加入盐酸多巴胺进行碳包覆,成功制备出CoSe-MoSe@C。中空结构以及碳包覆都能有效缓解体积膨胀,而碳的加入提高了电极材料的导电性。作为锂/钠离子电池的负极材料,碳包覆CoSe-MoSe中空微球具有高比容量以及良好的高倍率循环性能。当CoSe-MoSe@C用作锂离子电池负极材料时,在0.1 A g的电流密度下经过100个循环后,容量保持在1067.2 m Ah g;即使在1 A g的情况下循环200圈后依然保留1059.5 m Ah g的可逆比容量;将CoSe-MoSe@C作钠离子电池材料时,在大电流5 A g,可逆容量为337.7 m Ah g。进一步地,通过测试不同扫描速率下的伏安曲线,进行了锂/钠离子存储机制及电化学反应动力学的分析,结果表明CoSe-MoSe@C在锂/钠离子电池中提供了一定的赝电容贡献,提高了电池的倍率性能。(2)以钴锡甘氨酸球和氧化石墨烯为前驱体,通过物理混合和高温硒化制备了由多孔SnSe-CoSe微球和石墨烯组成的复合材料(r GO/SnSe-CoSe)。该复合材料不仅拥有较大的比表面积,使得钠离子与电解液充分地接触,促进钠离子运输,而且能提高电极材料的导电性并缓解充放电过程的体积膨胀。r GO/SnSe-CoSe作为钠离子电池的负极材料,在0.1 A g的电流密度下初始放电比容量为806.7 m A h g,循环100圈后其容量仍保持在919.8 m A h g;此外,在1 A g电流密度下,循环600圈后保持395 m Ah g的可逆容量。初步研究结果表明,r GO/SnSe-CoSe材料具有良好的比容量和循环性能,是一种具有较大潜力的钠离子电化学储能材料。