二硫化钼/碳复合材料的制备及其储钠性能研究

作     者：张旭 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：贾梦秋;国海鹏

授予年度：2022年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：钠离子电池 二硫化钼 扩展层间距 模板法 水热法 

摘      要：随着全球新能源化学电源市场需求的极速增长,钠离子电池因其取之不尽的资源、安全、生态友好等优势,被视为最可行的下一代储能体系以代替资源稀缺的锂离子电池。负极作为关键储能部分,对电池的综合性能具有重要的影响。探寻新型具有能量密度高、循环寿命长的负极材料,是保证钠离子电池能够推广商用的关键。钠离子电池负极材料开发中存在的瓶颈问题是钠离子较大的离子半径导致其循环寿命、能量密度等均难以达到类似锂离子电池的商业化标准。晶体结构类似石墨层状堆叠的二硫化钼有着更宽的层间距(0.62nm),且在钠离子电池中能够通过转化反应机制进行额外储钠,从而能够实现储钠的的高理论容量,但其在应用中仍存在较大的体积膨胀、本征电导率低和循环衰减快等缺点。本文通过将MoS与多种碳材料复合以及构造新型MoS结构的方法来提高MoS的导电性、改善微观形貌、防止材料破碎和团聚,达到了优异的储钠容量和循环寿命。具体探究内容如下:(1)采用软模板法制备了直径为250nm左右的氮掺杂碳复合的MoS纳米花球,并确定了水热合成中的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)最佳添加量。其中PVP发挥两种作用,一是其分散在水中的胶束可作为软模板诱导MoS水热过程形成粒径均匀的纳米花球,二是作为表面活性剂诱导MoS晶体形成少层的变化并有一定的插层作用。在电化学测试循环120次后,100mA/g下MoS/NC可逆容量为530mAh/g,容量保持率为92.9%。(2)改用多壁碳纳米管(CNT)作为模板,一锅水热法合成MoS和碳纳米管紧密复合的直径1μm花球。水热过程中MoS附着CNT生长形成紧密复合的结构,不仅改善了水热法合成的MoS的形貌,并依靠CNT极其优异的导电率和机械稳定性,进一步提升了二硫化钼的循环寿命。经过200圈循环后100CNT/MoS样品提供372.1mAh/g可逆容量剩余,83.2%的容量保持率。(3)利用一锅水热法,将CNT与CTAB衍生碳两种碳材料与MoS进行复合,得到了直径为1μm左右的CNT/MoS/NC花球。在第四章工作的基础上使用CTAB分子插层二硫化钼,退火后在二硫化钼晶体层间原位生成氮掺杂的碳,扩展了MoS的层间距,多余的碳沉积在MoS花球表面起到辅助的保护作用。实验证明具有协同作用的双碳复合可以大大提高MoS的电化学性能。在1A/g的大电流长循环测试中500圈测试保持350mAh/g,表现高容量保持率89.4%。