水热合成纳米级硫化镍组织结构及其性能研究

摘要

正极材料一直制约着锂离子电池应用发展,具有高比容量高倍率充放电性能正极材料的锂离子电池成为航空航天、动力汽车等高功率领域电源系统的关键。含硫无机正极材料因其高的比容量、能量密度和功能密度成为当前研究的热点,其中理论比容量为590mAh/g的硫化镍正极材料显示出了相当大的潜力。
　　 本文主要针对硫化镍的水热法制备、形貌优化和电池性能三方面展开研究,利用多种手段对样品的形貌、结构、成分和电池性能进行了测试,主要结果如下:
　　 1.以乙酸镍和硫脲为原料采用水热法合成了β-NiS,产物的形貌为纳米形态,且电池性能良好。其中在反应温度140℃、反应时间24h条件制备出了产物表面为纳米须状的蚕丝壳球β-NiS的新形貌,作为正极材料时在所有实验条件中电池性能最优,首次放电比容量可达575.4mhh/g。在反应温度160℃、反应时间24h下的样品进行三种碳包覆(碳纳米管包覆,葡萄糖碳化先驱体包覆和葡萄糖直接碳化包覆),结果表明三种方法均提高了硫化镍电极材料的循环性能,十次之后仍能保持在100mAh/g以上,但是高温600℃下葡萄糖碳化碳包覆后样品物相改变为Ni3S2。通过在实验中加入络合剂柠檬酸改变了产物的形貌,制备得到纳米线,但是产物形貌和种类并不单一,需进一步探讨试验。
　　 2.以氯化镍和硫代乙酰胺为原料采用水热法合成了γ-NiS,得到颗粒状产物,且产物电池性能良好。其中在反应温度180℃、反应时间为12h、pH=5时的产物电池性能最优,首次放电比容量为589.6mAh/g,接近理论比容量590mAh/g。在此实验条件下进行了三种碳包覆,结果显示,三种方法均提高了产物的电极材料的循环性能,而三者相比较第一种葡萄糖碳化碳包覆方法下的电池性能最优,二十五次循环之后能保持在120mAh/g以上。通过在实验中加入络合剂柠檬酸,一定程度上减少了反应后剩余H2S的量,减少了实验污染。
　　 3.β-NiS和γ-NiS两者作为电池正极材料时电化学性能相比,γ-NiS的要更优。