静电纺丝硫化锡基复合纳米纤维及其储钾性能研究

作     者：李瑞玲 

作者单位：福建师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李小燕;陈育明

授予年度：2023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）] 080502[工学-材料学] 

主      题：静电纺丝法 钾离子电池 负极材料 锡基硫化物 碳基底 

摘      要：在传统化石能源持续匮乏和环境污染加剧的时代背景下,锂离子电池（LIBs）作为主导便携式电子设备和电动汽车领域的商用可充电电池已较为成熟。然而,锂资源的稀缺性、不均匀的地理分布和高成本阻碍了其大规模的储能应用。因此,迫切需要经济廉价的新兴储能设备来替代LIBs。由于钾在地壳中丰度高、分布均匀、成本低以及钾离子电池（PIBs）与LIBs相似的工作原理,PIBs引起了广泛的研究兴趣。与钠离子电池（SIBs）相比,K/K的氧化还原电位较低,因此赋予PIBs相对较高的输出电压和较高的理论能量密度。目前关于PIBs的研究正处于起步阶段。在众多负极材料中,碳材料的比容量较低,如石墨的理论比容量只有279 m Ah g。基于转化合金化的过渡金属硫化物材料,尤其是硫化锡（SnS）、硫化亚锡（SnS）,由于其环境友好、独特的层状结构和较高的理论容量备受关注。然而,锡基硫化物（SnS）电导率较低,在充放电过程中体积效应严重且反应动力学缓慢,表现出较差的电化学性能。基于上述问题,构建纳米结构硫化锡并将其与导电基体复合是一种行之有效的解决办法。综上所述,本文以静电纺丝技术为基本手段,结合溶剂热法和热处理等简单工艺合成具有不同结构特性的硫化锡基复合纳米纤维材料,通过一系列表征和电化学测试研究其在PIBs中的储能机理和电化学性能。本论文具体研究内容如下:在第一章中,通过同轴静电纺丝法和一步硫化法将超小SnS纳米晶体封装在硫化聚丙烯腈（SPAN）纤维中,获得SnS@SPAN纳米纤维复合材料。一维纳米纤维结构不仅为K提供了多个结合位点,而且还缩短了K的扩散路径,实现了更快的反应动力学。SPAN中硫的含量丰富,可以进一步提高复合材料的储钾容量并有效抑制K在脱嵌过程中电极材料的体积变化。该复合材料用作钾离子电池负极时,在3 A g电流密度下,首次充电比容量为149.2 m Ah g,且在循环800圈后仍具有127.1 m Ah g的比容量。在第二章中,为了进一步加快反应速率和稳定结构,通过简单的静电纺丝方法结合溶剂热法和热处理,将非晶SnS限域在多孔电纺碳纳米纤维中（a-SnS@pCNFs）,以实现SnS的高度可逆钾化/脱钾过程。非晶SnS在转化反应过程中具有较低的活化能势垒且能有效缓解嵌钾过程的机械应力,有利于维持电极材料的结构稳定性。此外,一维pCNF骨架不仅能在钾离子钾化/脱钾过程中提供大量的反应位点和快速的电子传输通道,还能有效缓冲SnS在反复充电/放电过程中的体积变化,从而确保良好的电化学稳定性。因此,所制得的a-SnS@pCNFs负极材料在1A g的电流密度下,具有近300 m Ah g的高可逆容量,在10 A g时具有优异的倍率性能和超长的循环寿命（超过2000次）。此外,将其作为负极组装成PIBs全电池时,在3 A g下进行100次循环后,仍可提供110 m Ah g的高容量,相当于每次循环只有0.48%的衰减率。上述将SnS非晶化并与碳材料复合的双重策略为稳定转化和合金化材料以及快速可逆的K储存提供了一种有效方法。