新型高性能双金属硫化物负极材料的结构设计、制备与储能机理的研究

作     者：陈文 

作者单位：景德镇陶瓷大学 

学位级别：硕士

导师姓名：胡跃辉;胡克艳

授予年度：2024年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：双金属硫化物 钠离子电池 钾离子电池 负极材料 高性能 

摘      要：在过去的十年中,锂离子电池大力地推动了我国在新能源发展战略和实现“双碳目标方面的进步。然而,由于锂元素地壳丰度极低且分布不均衡,钠和钾离子电池正逐渐被视为下一代大规模储能技术的有力竞争者。当前各类电车、智能机器、仿生科技等领域的迅速发展对新型电源提出了更高的要求,尤其是超快充电、高灵活性、高功率性等设备均迫切需求高功率、高能量型钠/钾离子电池。然而,发展高功率、高能量型钠/钾离子电池受限于高性能电极材料,而负极材料尤为重要;相比较于锂离子电池负极,钠/钾离子电池负极研究还不够深入,材料极其稀缺。 金属硫化物因其在储能反应过程中发生转化/合金化反应,具有高容量特性,是钠/钾电子电池理想的负极材料。然而,金属硫化物在充放电过程中,一方面因为金属/NaS界面不稳定,金属颗粒容易粗化长大和电化学惰性的NaS富集,导致转化反应的可逆性下降;另一方面,金属硫化物在嵌钠/钾过程中,产生巨大的体积膨胀,导致电池倍率性能差、容量快速衰减,限制了钠/钾离子电池在高功率密度、高能量密度和长循环寿命的产业化应用。通过研究发现,双金属硫化物负极具有两种或多种储钾/钠机制材料的优势,可实现优劣互补。本研究的重点在于探讨双金属硫化物材料的制备方法、结构特征、形貌和组成,并深入研究它们在钾/钠离子电池负极中的电化学性能和储能机制。具体的研究内容涵盖以下几方面: 1、通过固相反应法结合高能球磨法合成了高纯度的GeVS。Ge因其高容量而被视为极具潜力的钾离子电池材料,但是会在储钾过程中产生约188%的体积膨胀。通过设计将Ge原子分散到过渡金属V-S硫化物框架中,形成松散堆积的GeVS新型钾离子电池的负极材料。电化学性能测试表明,GeVS在0.5 C时提供了高达～400 m Ah g的可逆比容量,即使在12.5 C高倍率时也能保持160 m Ah g,在5 C下循环2000次后仍能保持～60%的容量。 2、制备了非整数计量比的CrVS材料。通过不同金属-硫（M-S）键的协同作用可以避免电化学反应过程中不同中间相的聚集,从而获得良好的循环性能。作为钠离子电池的负极材料时,CrVS负极在1.6 C下循环100次后可提供551m Ah g的高可逆容量,即使在66 C下循环600次也能保持100%的容量。 3、通过固相反应法成功合成了导电性极好的CuSbS材料。在稳定的嵌入框架中引入合金型单元,可以减弱合金负极在电化学过程中的体积膨胀继而大幅度增加可逆插入钠的数量,提高电极容量。因此,CuSbS负极在0.3 C时具有510.9 mAh g的高比容量,并且在15 C循环4300次后仍保持约95%的比容量。