关键词：
钠离子电池
负极材料
金属硫化物
金属硒化物
碳包覆
纳米结构
电化学性能
摘要：
能源生产和存储技术是现代社会发展的基石。近几十年来,锂离子电池（LIBs）技术已广泛应用于大多数移动电子设备以及零排放电子车辆等,显著地改善了人们的生活、生产条件。然而,锂资源昂贵,在地壳中含量少且分布不均。因此,锂离子电池的替代能源存储系统受到了广泛的关注。在各种非锂离子电池系统中,因钠来源广泛、价格低廉,且钠离子电池的工作原理与锂离子电池类似,故钠离子电池（SIBs）被认为是最佳的备选电池之一。目前,硬碳、金属硫化物、金属氧化物、金属硒化物、金属合金等钠离子电池负极材料已被广泛研究,尤其是金属硫化物、硒化物因具有较高的理论容量而引人瞩目。但现有的金属硫化物、硒化物仍然面临充放电前后体积膨胀大、导电性差、循环性能不佳等挑战。本文以金属硫化物、金属硒化物为研究对象,采用组分优化和纳米结构构建策略发展了三种金属硫化物/硒化物与碳的复合材料,系统研究了材料的晶体结构、微观形貌及电化学性能。主要研究内容和结果如下:（1）通过常温共沉淀法合成了Cu-MOF前驱体,采用碳化-硫化工艺制备了氮掺杂的碳包覆的硫化铜纳米粒子（Cu S@N-C）,研究了材料的晶体结构、微观形貌及电化学性能。Cu S@N-C被用作钠离子电池阳极材料时具有以下优势:（1）纳米化的Cu S颗粒可以有效缩短离子/电子的输运距离,促进电解质的渗透;（2）氮掺杂有利于提升复合材料的导电性和活性位点数量;（3）Cu S@N-C的多孔结构可以缓解长期放电和充电过程中的体积膨胀;（4）活性Cu S纳米颗粒嵌入碳基体中可以有效防止团聚。因此,Cu S@N-C电极展现出优异的倍率性能和长循环稳定性:在5 A g-1的电流密度下循环1200次后,容量仍高达300.2 mAh g-1,每圈的容量衰减率仅为0.0035%;即使在大电流密度10 A g-1的情况下,经过2670次循环后仍显示出161.8 mAh g-1的容量。（2）通过碱辅助常温共沉淀法合成了CoSn（OH）6前驱体,以高分子间苯二酚-甲醛树脂为碳源,通过碳包覆和一步碳化硫化法合成了具有丰富介孔结构的SnS2-CoS2@C（SCS@C）核壳结构纳米立方体,研究了材料的晶体结构、微观形貌及电化学性能。SnS2-CoS2@C具有多孔纳米结构,可以缩短钠离子的传输路径,便于钠离子的快速扩散。此外,碳材料的引入提高了材料整体的导电性,且碳壳可以作为一个刚性支撑,抵抗体积膨胀造成的体积应力,以防止在长期循环过程中活性物质结构的坍塌、脱落。因此,当SCS@C用于钠离子电池负极材料时,展现出优异的电化学性能:首次库仑效率高达92.8%,在0.1 A g-1的电流密度下循环70次,容量高达662 mAh g-1,每圈的容量衰减率仅为0.00013%;在5 A g-1的电流密度下循环500圈后,容量仍然保持在402.5 mAh g-1。（3）以CoSn（OH）6为前驱体,以高分子间苯二酚-甲醛树脂为碳源,通过碳包覆和一步碳化硒化法合成了SnSe2-CoSe2@C（SCSe@C）核壳结构纳米立方体,研究了材料的晶体结构、微观形貌及电化学性能。SCSe@C材料具有较大的比表面积,有利于电解液的浸润,而其多孔纳米结构则有利于电子和离子的快速转移,加快反应动力学,从而提升材料的倍率性能。此外,碳包覆所形成的核壳结构能有效缓冲循环过程中的体积膨胀,进而提升材料的循环稳定性。因此,SCSe@C电极展现出优异的储钠性能:在0.1 A g-1的电流密度下循环40次,容量保持为334.4 mAh g-1,每圈的容量衰减率仅为0.4%;在5 A g-1的电流密度下循环250圈后,容量仍然保持在325.9 mAh g-1。
欢迎来到三峡大学图书馆！
