復(fù)合電極材料的制備及其高倍率電化學(xué)儲能研究.pdf

1、生活中常用的二次電化學(xué)儲能器件主要有鉛酸電池、鋰離子電池、鎳鉻電池、鎳氫電池和液流電池等，其中鋰離子電池由于其突出的能量密度和體積輕便而備受關(guān)注，除了便攜電子產(chǎn)品，鋰離子電池已經(jīng)成為電動車/混合電動汽車用的主流電池，但是高容量密度的鋰離子電池卻面臨著高功率輸出和安全性的問題，這也是實際應(yīng)用中鋰離子電池遇到的瓶頸問題。鋰離子電池是目前市場占有率最大的能源儲存設(shè)備，其能量密度高、電位高、充放電穩(wěn)定等因素都是其不可取代的主要原因，但是鋰離子電

2、池的功率密度僅為0.5-1.5kWkg-1，至今在產(chǎn)業(yè)上沒有顯著的技術(shù)突破，無法滿足高功率輸出設(shè)備的需求。另外一種備受關(guān)注的儲能器件是超級電容器，主要依靠電荷的吸附/脫附而儲能。而超級電容器的高功率密度、快速充放電性能和數(shù)十萬次充放電循環(huán)次數(shù)恰好彌補(bǔ)鋰離子電池的不足。如何獲得高能量密度的超級電容器成為技術(shù)攻關(guān)的關(guān)鍵。基于上述現(xiàn)存問題，本論文根據(jù)材料的結(jié)構(gòu)特點，從零維結(jié)構(gòu)、二維片狀結(jié)構(gòu)和三維空間結(jié)構(gòu)逐一優(yōu)化電極材料性能，主要內(nèi)容如下:

3、r>　　(1)Sn基化合物由于其較高的比容量值，一直被認(rèn)為是最具潛力替代石墨作為鋰離子電池的負(fù)極材料，但是由于嵌鋰/脫鋰過程中活性材料的體積變化導(dǎo)致的電極材料粉化等現(xiàn)象，而受到限制。本論文首先設(shè)計具有多孔結(jié)構(gòu)的SnO2/Co復(fù)合材料，材料本身由10nm的SnO2顆粒組成納米球，納米尺寸具有相對較低的絕對體積變化從而防止了電極材料的巨大體積變化，多孔結(jié)構(gòu)為鋰離子提供更多的嵌入路徑。微量Co元素的摻雜可以改善電極材料的導(dǎo)電性能，同時有效抑制

4、在電極材料在充放電過程中Sn顆粒的團(tuán)聚。與純SnO2材料相比較，這種SnO2/Co復(fù)合材料具有穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)，使其與集流體保持良好的接觸和高效的電子傳遞，提高了電極材料的電化學(xué)儲能性質(zhì)。
　　(2)由于納米球體結(jié)構(gòu)之間接觸面積小，電子遷移路徑不能滿足高倍率電池的要求，我們利用液相冷凝回流法合成SnS2@rGO二維層狀結(jié)構(gòu)，SnS2納米晶體以均質(zhì)結(jié)構(gòu)分布在GO表面。與常見的水熱法相比，這種溫和的反應(yīng)條件和rGO表面官能團(tuán)結(jié)構(gòu)的協(xié)同效

5、應(yīng)，可以有效控制SnS2納米晶的分布和尺寸，防止其團(tuán)聚。而材料整體的二維結(jié)構(gòu)為鋰離子提供了雙面嵌入路徑，SnS2納米晶與rGO的復(fù)合結(jié)構(gòu)加快了離子和電子的遷移速度，使有SnS2@rGO電極材料在充放電測試時具有穩(wěn)定的高倍率性能。
　　(3)多孔CoMoS3.13納米片結(jié)構(gòu)的電極材料通過水熱法合成，多孔納米片尺寸為20-30nm之間，片層堆積小于10層。Co元素和Mo元素均是具有較高的電化學(xué)活性材料，因此將CoMoS3.13材料作為

6、鋰離子電池負(fù)極材料時，不僅展現(xiàn)了高比容量值，同時具有高倍率性能。由于多孔CoMoS3.13材料具有較高的比表面積，因此將多孔CoMoS3.13作為超級電容器電極材料，高比表面積為離子的脫附/吸附提供更多的活性位點，增加電極材料的比容量值，片層間的相互交叉堆疊也有利于電子的快速傳遞。
　　(4)高倍率電化學(xué)儲能需要電極材料具有電子遷移距離短、遷移速度快，同時活性材料與電解液接觸面積大，活性位點多等特點?；谏鲜鲈?，三維陣列結(jié)構(gòu)Co