锂离子电池纳米ZnS/C负极材料制备及性能

【摘要】：开发出容量更高、寿命更长、污染更低、环境适应更强的锂电池电极材料,是摆在所有锂电池科技工作者面前的重要课题。目前商业化的锂离子电池多采用石墨等作为负极材料,存在着容量较低、低温性能较差等不足,我们希望制备出性能更为优异的锂电池负极材料。 本文通过水热沉淀和烧结碳包覆方法,以ZnCl_2、Na_2S以及柠檬酸为原料直接合成了ZnS/C复合材料,通过元素含量测定,确认得到了含碳量分别为4.6wt%, 9.3wt%和11.4wt%的三种样品。我们利用XRD和TEM对复合材料的结构与形貌进行了表征。TEM表明ZnS/C (9.3wt.%C)材料显示了较好的微观结构,粒径约为20-30纳米的球状ZnS颗粒均匀分布于提供导电性能的网状碳膜中,且材料结构为六方晶型纤维锌矿,成型良好。 我们通过恒流充放电、循环伏安等电化学测试发现,湿磨工艺包碳所制备的ZnS/C (9.3wt.%C)样品电化学性能最为优异。在400mA/g的电流密度下,首次充放电容量达到1021.1和481.6mAh/g,300次循环后放电容量仍保持了63.2%达到304.4mAh/g。我们还将该材料的倍率性能和低温性能同商业化的CMS材料进行了比较,发现前者拥有比后者更为出色的循环性能和低温性能。在800 mA/g的电流密度下材料的放电容量仍达到了235.2 mAh/g。在低温测试中,ZnS/C材料在0℃和-20℃下的容量均为CMS在同样条件下的2~3倍,分别为268 mAh/g和207 mAh/g的容量,是其在20℃下容量的74.4%和57.5%。 我们还利用原位的XRD测试对ZnS/C的脱嵌锂机制进行了探究。通过充放电过程中物相特征峰的比对发现:在放电阶段,随着锂离子的逐渐嵌入,锌会不断置换出来,生成的锌会与Li继续反应生成锂锌合金。最终ZnS放电末期完全转化为Li_2S、金属锌以及最终产物Li_xZn。充电过程则相反,锂离子从Li_xZn合金中脱出形成了金属锌,并且Li_2S中也脱出锂,随着放电电压的增加,ZnS会部分重新生成。 此外,鉴于聚吡咯的良好导电性,我们尝试合成了ZnS/ppy材料并进行了测试,发现其具有进一步开发提升性能的空间。本文通过实验研究证明了ZnS/C是一种极具开发应用潜力的锂离子电池负极材料。