双金属硫化物纳米复合材料制备及其储钠性能研究

作     者：李启明 

作者单位：烟台大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周艳丽

授予年度：2024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：钠离子电池 CoS/V3S4@NC FeV2S4@NC 纳米复合材料 负极材料 

摘      要：锂离子电池（LIBs）已经在各种电子产品、电动汽车等高科技产品中得到广泛的应用。但随着锂资源的大量开发利用,也造成资源短缺、成本提升、废弃处理和回收等方面的问题。因此,需要开发新型的电化学储能系统,以满足人类对能源发展的需要。其中,可充电钠离子电池（SIBs）被认为是一种十分具有潜力的电化学储能装置。SIBs负极材料能够直接影响电池的电化学性能。因此,开发新型高容量的SIBs负极材料成为研究热点。 在诸多的电极材料中,金属硫化物凭借其高比容量和可逆性好的特点脱颖而出。但是单一的金属硫化物的电导率较低,反应动力学迟缓。相比单一的金属硫化物,双金属硫化物不仅具有高理论比容量,而且双金属阳离子的协同作用会加快离子和电子传输速率,改善反应动力学。然而,材料导电性较差和充/放电过程中引起的体积膨胀问题也同样存在双金属硫化物中。针对双金属硫化物钠离子电池负极材料存在的关键问题,本论文通过两种方法来改善其储钠性能:一是通过纳米结构化设计来改善电极材料的扩散动力学;二是采用氮掺杂碳（NC）包覆来提高材料电导率,同时增加电极材料的结构稳定性,防止电极材料粉化失效。具体的研究工作如下: （1）以氯化钴和偏钒酸铵为原料,通过简单地水浴法合成具有Co、V双阳离子的CoVO·n HO,再经过室温聚合反应进行聚多巴胺包覆,最后使用高温硫化反应制备出Co S/VS@NC,研究了制备的CoVO@NC与Co S/VS@NC的电化学性能差异,并通过比较Co S/VS@NC与Co S/VS证明了氮掺杂碳层对复合材料性能的提升作用。实验结果表明,得益于多孔六方纳米片状结构、氮掺杂碳以及Co、V双阳离子的共同协同作用,在三种复合材料中,三组分Co S/VS@NC表现出最佳的电化学性能。在电流密度为0.5 A g-和2 A g-时,上述三组分纳米复合材料分别显示出557 m Ah g-和502 m Ah g-的可逆比容量。通过动力学分析结果证明了Co S/VS@NC具有最小的电化学阻抗和最快的离子迁移速率。最后,以Co S/VS@NC为负极,以NaV（PO）@GO为正极组装成的钠离子全电池也获得了优异的测试结果,进一步证明了三组分Co S/VS@NC负极材料在实际应用中的潜在价值。 （2）将溶剂热法合成的FeVO·n HO作为前驱体,再通过室温聚合法制备聚多巴胺包覆的FeVO·n HO,最后经过高温硫化反应制备出了FeVS@NC复合材料,研究了氮掺杂碳包覆及煅烧温度对复合材料性能的影响。实验结果表明,通过煅烧得到的FeVS@NC具有丰富的硫空位/缺陷,能够增加钠离子存储的活性位点,纳米棒状结构能够缩短Na扩散路径,改善反应动力学。氮掺杂碳层有助于提高导电性,增强结构稳定性。得益于双金属硫化物与氮掺杂碳的协同作用,850 ~oC煅烧获得的FeVS@NC展现出优异的电化学性能。当电流密度分别设定为0.5 A g和5 A g时,上述FeVS@NC负极材料分别表现出571 m Ah g和540 m Ah g的室温初次放电容量,甚至在低温0 ~oC下也表现出371 m Ah g-的可逆比容量。动力学分析证明FeVS@NC具有较小的电化学阻抗和快速的离子传输速率,反应机理分析进一步说明FeVS@NC具有良好的可逆性。最后,FeVS@NC负极与NaV（PO）@GO正极组装的全电池也表现出了优异的性能,表明FeVS@NC材料在SIBs领域中具有广阔的应用前景。