MnO2-Ni(OH)2和CoNi2S4納米片陣列的制備及鋰電池和鋰硫電池性能研究.pdf

1、伴隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，能源利用和環(huán)境保護(hù)問(wèn)題變得尤為重要。近年來(lái)，鋰離子電池作為一種新型的二次電池，受到科研工作者的青睞。由于過(guò)渡金屬氧化物自身較高的理論容量而成為電極材料的研究熱點(diǎn)，以MnO2、Co3O4、Ni(OH)2、NiO和RuO等為典型代表。但是，過(guò)渡金屬氧化物較低的電導(dǎo)率和嚴(yán)重的體積效應(yīng)導(dǎo)致材料的實(shí)際比容量偏低，電極材料的結(jié)構(gòu)決定著鋰離子電池電化學(xué)性能的優(yōu)劣，納米級(jí)的電極材料有利于電解液與活性物質(zhì)的充分接觸，縮短離子

2、的傳輸路徑，形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的物理結(jié)構(gòu)。還可以通過(guò)與其它材料進(jìn)行摻雜形成復(fù)合材料，來(lái)提高過(guò)渡金屬氧化物的電導(dǎo)率，進(jìn)一步優(yōu)化其電化學(xué)性能。因此，本文采用水浴法制備出MnO2/Ni(OH)2的納米片陣列以及兩步水熱法制備出CoNi2S4納米片陣列研究其鋰離子電池性能。由于升華硫的放電比容量達(dá)到1675mAhg-1，鋰硫電池的能量密度理論值高達(dá)2600Whkg-1，被預(yù)測(cè)為最有前景的鋰二次電池。然而升華硫和硫化鋰的電絕緣性、鋰枝晶生長(zhǎng)以及多硫化鋰

3、引起的穿梭效應(yīng)等問(wèn)題，阻礙了鋰硫電池的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。本文采用熔融浸漬法把S包覆在MnO2/Ni(OH)2和CoNi2S4納米片上制備出鋰硫電池正極材料，期望改善鋰硫電池的電化學(xué)性能，然后對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征和電化學(xué)性能研究分析。
　　本文的主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)采用水浴法成功地在泡沫鎳表面制備出MnO2/Ni(OH)2納米片陣列，經(jīng)過(guò)100次循環(huán)，鋰電池的平均比容量仍維持在1052.2mAh g-1，表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)性能和

4、較高的比容量。納米片和泡沫鎳基底之間形成一體化的電極片，納米片之間彼此交錯(cuò)形成3D網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高了材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，有助于提高材料的循環(huán)性能。MnO2和Ni(OH)2以納米域的形式均勻混合生長(zhǎng)成為納米片，納米片之間圍成150～300nm的小孔，納米片兩側(cè)充分與電解液接觸，縮短了Li+的擴(kuò)散路徑，提高了復(fù)合材料的離子電導(dǎo)率。在不同的電流密度下，MnO2/Ni(OH)2納米片的比容量保持率均維持在80％以上，說(shuō)明MnO2/Ni(OH)2納米片

5、陣列具有優(yōu)異的倍率性能。
　　(2)采用兩步水熱法把CoNi2S4納米片直接生長(zhǎng)在泡沫鎳表面，通過(guò)XRD測(cè)試發(fā)現(xiàn)CoNi2S4的合成純度較高，采用SEM測(cè)試發(fā)現(xiàn)納米片間圍成大小為～0.3um小孔，CoNi2S4納米片的厚度為～120nm，增大了與電解液的接觸面積，CoNi2S4納米片完全包覆在泡沫鎳表面。在不同的電流密度下，-CoNi2S4前50次循環(huán)的庫(kù)倫效率均維持在95％以上，當(dāng)電流密度增大到2000mAg-1時(shí)，材料的放電比

6、容量依然保持在814.9mAh g-1，表現(xiàn)出較高的庫(kù)倫效率和可逆性。通過(guò)恒流充放電曲線發(fā)現(xiàn)CoNi2S4納米材料首充放電比容量為1506.2/1592.3mAhg-1，第50次充放電時(shí)電極材料的比容量為1168.3mAh g-1，表明該材料具有較高的比容量。CV曲線中揭示了CoNi2S4納米材料可逆程度較大。
　　(3)采用熔融浸漬法在MnO2/Ni(OH)2復(fù)合納米片表面包覆一層厚度～20nm的升華硫?qū)?。納米片之間形成孔徑大小

7、為～100nm的小孔，可以增大電解液與復(fù)合材料之間的滲透作用，使得鋰離子和電荷傳遞速度較快，經(jīng)過(guò)電化學(xué)性能的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，電流密度為200mAg-1，最后58次循環(huán)過(guò)程中，電池的平均放電容量為～506mAh g-1，采用不同的電流密度(200～1000mA g-1)，均表現(xiàn)出穩(wěn)定的比容量，該材料獲得了較高的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。
　　(4)采用熔融浸漬法在CoNi2S4復(fù)合材料表面涂覆一層厚度為～30nm的升華硫，利用XRD對(duì)其進(jìn)行物