Co9S8/C复合负极材料的制备与电化学性能研究

作     者：汪杰 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：羡小超

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：Co9S8/C复合物 Co9S8/CNTs/C复合物 Co9S8/C纳米管 负极材料 锂离子电池 

摘      要：过渡金属硫化物八硫化九钴(CoS)作为转化型锂电负极材料,因具有理论容量高、成本低等优点而备受关注。然而,其电导率较低,且在充放电过程中存在体积膨胀的问题。因此,研究者们采用表面包覆、形貌调控以及掺杂等手段对其改性进而来提高电化学性能。本文中主要通过原位合成法制备了CoS@C复合材料、CoS/CNTs/C复合材料和CoS/C纳米管,并对复合材料结构与其电化学性能的关系进行了系统研究,主要结果如下:以苯胺聚合中加入的硝酸钴为钴源,过硫酸铵为聚合引发剂和硫源,通过原位聚合和高温煅烧法,制备了不同碳含量的CoS@C复合材料。研究表明:CoS@C复合材料中碳的石墨化度和含量对其电化学性能有重要影响。当碳含量为27.6 wt.%时,CoS@C复合材料作为锂离子电池负极材料表现出优异的倍率性能和循环稳定性,在0.1,0.2,0.3,0.5,1.0和2.0 A·g时的比容量分别为806,749,717,697,652和601 m Ah·g。在1.0 A·g下循环350次后,比容量仍能保持在503 m Ah·g。这是由于CoS颗粒表面具有较高石墨化度碳包覆层可以有效地缓解CoS颗粒的体积膨胀,并有利于充放电过程中电子和离子的快速传输。在上述研究基础上,在原位聚合过程中掺杂碳纳米管(CNTs),得到CoS/CNTs/C复合材料,探究CNTs掺杂对其电化学性能的影响。研究表明CNTs可进一步提高复合材料的电子和离子传导特性,使其表现出更优异的电化学性能。当CNTs掺杂量为0.2 g时,所制备CoS/CNTs/C复合物在0.1,0.2,0.3,0.5,1.0和2.0 A·g时比容量分别为1117,985,916,846,793和710 m Ah·g,当电流密度返回到0.2 A·g时,其比容量可恢复到938 m Ah·g,且在1.0 A·g下循环500次后,其比容量仍保持在742.6 m Ah·g,表现出良好的倍率和循环性能。在原位聚合过程中加入三聚氰胺,制备CoS/C纳米管,并通过调控三聚氰胺的加入量对制备过程机理进行了研究。研究表明:在NO诱导下所形成的三聚氰胺管起到牺牲模板作用,三聚氰胺管和苯胺的相对量对所制备复合物的形貌有重要影响。当三聚氰胺加入量为0.4 g时,可得到具有规则形貌的CoS/C纳米管,且其在1.0 A·g的电流密度下,循环500次后,可逆比容量仍保持在743 m Ah·g,表现出良好的循环性能。这主要归结于复合物中聚苯胺基碳纳米管作为碳基质,不仅有效缓解了CoS纳米颗粒的聚集和体积变化,而且具有良好的传导特性。