二硫化钼、三氧化钼基复合材料的制备及电化学性能研究

摘要

近年来电动汽车和可移动电子产品的迅速发展极大地刺激了人们对于性能优异的锂离子电池的需求。人们正在积极地为锂离子电池研究和寻找更高性能的电极材料。过渡金属硫化物（TMS）由于其特殊的合金化或转化反应的储锂机制近年来吸引了越来越多的关注，相比于传统的碳负极材料， TMS对实现高比容量更为有优势。其中，二硫化钼（MoS2），作为一种典型二维层状结构的TMS，由于其可以在一个相对较低的电位下储锂以及通过转换机制实现更高的比容量而引起了更加广泛的兴趣。然而由于本身较差的导电性以及循环过程中结构的不稳定性等问题，MoS2作为电极材料的循环和倍率性能并不能令人满意。同样作为一种过渡金属化合物，三氧化钼（MoO3）与 MoS2具有很多的相似之处，例如高的理论比容量，较差的循环稳定性等。针对这些问题，研究人员发现，将MoS2和MoO3与导电性能优良的材料结合构建特殊结构的复合材料可以很有效的改善电极材料的导电性和结构稳定性。
　　本研究主要内容包括：⑴以钼酸钠为钼源，氧化石墨烯为基体，采用一步水热法制备了MoS2/石墨烯复合材料（MoS2-rGO）。所制备的复合材料中，MoS2呈花球结构，直径大约为400 nm，相对均匀地分散在石墨烯基体上。而片状结构的石墨烯则相互之间交织构成了三维的导电网络。由于这种特殊的复合结构以及导电性优异的石墨烯的引入，所制备的MoS2-rGO复合材料表现出良好的电化学性能，当电池充放电100次之后，电池的比容量能够稳定在900 mAh/g左右。⑵以MoO3纳米棒为无机前驱体，加入硫源，通过水热法使 MoO3与硫离子发生离子交换，制备了MoO3@MoS2复合材料。通过添加不同量的硫脲（1 mM，3 mM，5 mM），制备了一系列的MoO3@MoS2复合材料。在最佳的硫脲添加量（3mM）时，所制备的复合材料（MoO3@MoS2-II）是以一维的MoO3纳米棒为核，二维超薄的MoS2纳米片为壳，构建的具有一维分层体系的核壳结构复合材料。在MoO3@MoS2-II中，MoS2纳米片原位垂直生长在MoO3纳米棒，反应产物一维结构的保持取决于反应体系溶剂的组成。电化学性能测试结果表明，这种由一维和二维材料构建的核壳结构复合材料具有优异的电化学性能。在电流密度为100 mA/g，300 mA/g，500 mA/g，1000 mA/g对电池进行充放电时，电池分别表现出929 mAh/g，642 mAh/g，510 mAh/g，384 mAh/g的平均放电比容量，更重要的是，在电流密度重新设置为100 mA/g时，电池的容量能够维持在868 mAh/g，说明所制备的MoO3@MoS2具有良好的倍率性能。在电流密度为100 mA/g进行充放电时，经过100次充放电循环之后电极材料的比容量基本保持在781 mAh/g，说明MoO3@MoS2-II拥有良好的循环稳定性。⑶通过磁力搅拌用氧化石墨烯将MoO3进行包裹，制备了MoO3@GO复合材料。电化学性能测试表明，MoO3@GO的储锂容量相对于MoO3有了明显地提高，首次放电容量达到1350 mAh/g，经过60次循环之后，容量保持在720 mAh/g，并且从阻抗谱中可以看出，氧化石墨烯的加入使MoO3@GO的导电性大大提高。随后对MoO3@GO进行了硫化。现有的测试结果表明， MoO3@GO硫化产物（S-MoO3@GO）可能是引入了硫的MoO3@GO复合材料。MoO3中引入硫之后，可能产生了氧空位，层间距增大，这些有利于电极反应过程中电荷的快速运动以及可以提高结构的稳定性，从充放电测试结果可以看出，S-MoO3@GO在循环过程中除首次循环外，后续的容量极为稳定，同时材料也表现出极好的倍率性能。

目录

1 绪论

1.1 引言

1.2 二硫化钼

1.3 三氧化钼

1.4 本文的主要内容及创新点

2 二硫化钼/石墨烯复合材料的制备与性能研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 实验结果分析

2.4 本章小结

3 三氧化钼@二硫化钼复合材料的制备与性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 实验结果分析

3.4 本章小结

4 三氧化钼@氧化石墨烯复合材料硫化过程研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 实验结果分析

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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