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微凝胶模板合成锰/铁硫化物@碳纳米复合材料及其储锂性能研究

彭鑫  
【摘要】:能量密度超过200 Wh kg~(-1)的锂离子动力电池目前已经成为研究焦点,因此为了提高锂离子电池的能量密度,需要开发新型负极材料代替碳基负极材料。过渡金属硫化物(TMS)具有较高的能量密度,例如硫化锰和二硫化铁的理论比容量分别达到616 m Ah g~(-1)和894 m Ah g~(-1),成为锂离子电池负极材料的重要选择。然而,基于转换反应机理的TMS负极材料具有充放电过程中体积变化大,首次库伦效率低及倍率性能差的缺点。因此,对TMS材料进行改性研究十分必要。纳米负极材料具有短的锂离子扩散距离,高的嵌入表面积和较小的体积变化率,合成纳米材料成为改善TMS负极材料电化学性能的重要手段。如何保持TMS的纳米形貌,抑制其在充放电过程中的聚集,则是其获得高性能的关键问题。为解决这个问题,本文利用聚合物微凝胶微球具有三维网孔和分子链上的极性官能团的特点,通过优化合成条件,吸附过渡金属离子,在微凝胶中原位生成TMS纳米颗粒,热解聚合物基体制备TMS@C纳米复合材料,并对其进行电化学性能研究。主要研究工作如下:1. P(AM-co-AA)微凝胶对锰离子及亚铁离子的吸附性能研究通过反相乳液聚合法合成了P(AM-co-AA)微凝胶,研究了在不同条件下聚合物微凝胶对Mn~(2+)离子及Fe~(2+)离子的吸附性能,获得其对这两种离子吸附性能的最优条件。探索得出最优吸附条件为:100 mg L~(-1)的过渡金属离子初始浓度,吸附温度为50℃,吸附时间为8 h。不同单体摩尔比合成的A1、A2和A3样品均具有介孔结构,BET比表面积分别为18.6 m~2 g~(-1)、20.5 m~2 g~(-1)和22.3 m~2 g~(-1)。其中A3样品的吸附过程遵从准二级动力学模型,对Mn~(2+)离子和Fe~(2+)离子的最大吸附容量分别为33.3 mg g~(-1)和37.8 mg g~(-1),平衡时间为8 h。2. P(AM-co-AA)模板合成MnS@C复合材料及电化学性能研究以吸附Mn~(2+)离子的P(AM-co-AA)微凝胶为前驱体,硫脲为硫源,采用溶剂热法制备了MnS@P(AM-co-AA)复合材料,将其碳化得到MnS@C纳米复合材料。以MnS@C为研究电极,锂电极为对电极组装半电池进行电化学性能测试。结果表明,纯MnS电极0.1 C倍率的首次放电比容量达到780 m Ah g~(-1),首次库伦效率为75.6%,200圈后的容量保持率仅为40%。MnS@C-1和MnS@C-2样品首次放电比容量分别为822 m Ah g~(-1)和795 m Ah g~(-1),首次库伦效率分别为82.5%和79.3%,200圈后的容量保持率分别为59.2%和54.7%。其中,MnS@C-1样品具有最佳的倍率性能,其在0.1 C、0.5 C、1 C和5 C倍率下,放电比容量分别为822 m Ah g~(-1)、543 m Ah g~(-1)、489 m Ah g~(-1)和435 m Ah g~(-1)。3. P(AM-co-AA)模板合成FeS_2@C复合材料及电化学性能研究以吸附Fe~(2+)离子的P(AM-co-AA)微凝胶为前驱体,硫脲为硫源,采用溶剂热法制备了FeS_2@P(AM-co-AA)复合材料,将其碳化得到FeS_2@C纳米复合材料。以FeS_2@C电极和锂电极组装半电池进行电化学性能测试。结果表明,纯FeS_2电极0.1 C倍率的首次放电比容量达到895 m Ah g~(-1),首次库伦效率为78.0%,200圈后的容量保持率为62.9%。FeS_2@C-1和FeS_2@C-2样品的首次放电比容量分别为1050 m Ah g~(-1)和969 m Ah g~(-1),首次库伦效率分别为83.1%和79.8%,200圈后的容量保持率分别为75.3%和73.8%。其中,FeS_2@C-1样品具有最佳的倍率性能,其在0.1 C、0.5 C、1 C和5 C倍率下,放电容量分别为1050 m Ah g~(-1)、706m Ah g~(-1)、610 m Ah g~(-1)和513 m Ah g~(-1)。研究结果表明,通过在微凝胶模板中原位合成TMS纳米颗粒,可有效抑制纳米颗粒在合成过程及其聚合物热解过程中的聚集长大。TMS纳米颗粒均匀分散在聚合物热解得到的碳基体中,形成连续的电子导电通道;碳基体的介孔结构,形成连续的离子迁移通道,获得三维离子/电子混合导电网络,显著改善了TMS电极的电化学性能。


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