过渡金属硫/磷化物复合材料的制备及其电化学储钠/钾性能的研究

摘要

随着电子设备，电动汽车和大型储能系统的快速发展，对储能材料的需求越来越高，锂离子电池在这些领域中的广泛应用受到锂资源分布不均的严重制约。考虑到元素周期表中锂，钠和钾的相似位置以及钠和钾丰富的天然资源，钠离子和钾离子电池最近引起了越来越多的关注。至今为止，与锂离子电池相比，钠离子电池电极主体材料非常罕见，只有少数负极材料表现出一定的氧化还原能力和足够的循环能力。钾离子电池的研究仍处于起步阶段，负极材料的研究则主要集中在碳基材料上，但是碳基材料仅展现出有限的可逆容量。过渡金属硫/磷化物因其来源广泛并且具有丰富的活性位点，可以作为多样化的电极材料，近年来备受关注。本课题运用热分解法合成二硫化锡纳米片与氮掺杂石墨烯的复合材料（SnS2/NGS），利用机械球磨法制备均匀分布在还原氧化石墨烯上的磷化锡/氧化还原石墨烯复合材料（Sn4P3/RGO），并对它们电化学储钠/钾性能进行了研究，具体研究内容如下： 1.以SnCl4·5H2O为锡源，CH4N2S作为硫源及氮源，利用热分解法制备二硫化锡纳米片生长在氮掺杂的石墨烯上的复合材料（SnS2/NGS）。所制备的SnS2/NGS复合材料在用作钠离子电池的负极材料时，在电流密度为500mA g-1时，经历200次充放循环后，可逆放电比容量为333.7mAh g-1,甚至在1800mA g-1的大电流条件下提供的放电比容量为348mAh g-1，仍远远大于SnS2。将SnS2/NGS材料组装成钾离子电池，在电流密度为400mA g-1时提供的平均放电比容量为213mAh g-1，并在不同电流密度下，SnS2/NGS复合材料提供的的容量均远远大于纯SnS2电极。SnS2/NGS优异的电化学性能来源于二硫化锡与氮掺杂石墨烯的协同作用，可有效抑制可溶性多硫化钠或钾与电解质之间的不良反应，使SnS2/NGS电极具有优异的结构和循环稳定性。 2.利用机械球磨法以Sn粉、红磷和还原氧化石墨烯为主要反应物合成均匀分布在还原氧化石墨烯基质上的磷化锡/还原氧化石墨烯复合材料（Sn4P3/RGO），实验证明生长在RGO基质中的Sn4P3纳米粒子尺寸更加均匀，大小在5-10nm左右。将其用作钠离子电池负极时，Sn4P3/RGO在600mA g-1的电流密度下循环150圈可逆容量仍能保持在291mAh g-1，在变倍率的测试中，Sn4P3/RGO也表现出更好的倍率性能。作为钾离子电池负极时，发现制备的Sn4P3/RGO具有较高的初始可逆容量(452.6mAh g-1)，即使在高电流密度(800mA g-1)下仍具有较好的倍率能力(116.4mAh g-1)，在高电流密度600mA g-1下经过60次充放循环后仍保持157.3mAh g-1的容量。实验证明，在RGO层上紧密生长可以缓冲Sn4P3在充放电过程中的体积变化，使得材料表现出较好的电化学性能。

目录

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致谢

变量注释表

1 绪论

1.1前言

1.2.1钠离子电池的组成与工作原理

1.2.2钠离子电池负极材料

1.3 钾离子电池的概述

1.3.1钾离子电池的组成与储能机理

1.3.2钾离子电池负极材料

1.4本文研究意义与内容

2实验材料与方法

2.1.1 实验原料

2.1.2 实验仪器

2.2 材料的表征

2.3 电化学性能表征

2.3.1 电极片的制备

2.3.2 电池的组装

2.3.3 电化学性能测试

3 SnS2/NGS复合材料的制备及其储钠/钾性能研究

3.1 引言

3.2 材料的制备

3.3 结构和形貌表征

3.4 SnS2/NGS 复合材料的电化学储钠性能

3.5 SnS2/NGS 复合材料的电化学储钾性能

3.6 本章小结

4 Sn4P3/RGO复合材料的制备及其储钠/钾性能的研究

4.1引言

4.2材料的制备

4.3 结构和形貌表征

4.4 Sn4P3/RGO复合材料作为钠离子电池负极材料的电化学性能

4.5 Sn4P3/RGO复合材料作为钾离子电池负极材料的电化学性能

4.6本章小结

5总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

作者简历

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