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、伴隨著中國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，能源利用和環(huán)境保護問題變得尤為重要。近年來，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，以MnO2、Co3O4、Ni(OH)2、NiO和RuO等為典型代表。但是，過渡金屬氧化物較低的電導率和嚴重的體積效應導致材料的實際比容量偏低，電極材料的結構決定著鋰離子電池電化學性能的優(yōu)劣，納米級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，形成結構穩(wěn)定的物理結構。還可以通過與其它材料進行摻雜形成復合材料，來提高過渡金屬氧化物的電導率，進一步優(yōu)化其電化學性能。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到1675mAhg-1，鋰硫電池的能量密度理論值高達2600Whkg-1，被預測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、鋰枝晶生長以及多硫化鋰

3、引起的穿梭效應等問題，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性能，然后對其進行結構表征和電化學性能研究分析。
　　本文的主要研究內(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形成3D網(wǎng)狀結構，提高了材料的結構強度，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成為納米片，納米片之間圍成150～300nm的小孔，納米片兩側充分與電解液接觸，縮短了Li+的擴散路徑，提高了復合材料的離子電導率。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納米片直接生長在泡沫鎳表面，通過XRD測試發(fā)現(xiàn)CoNi2S4的合成純度較高，采用SEM測試發(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)的庫倫效率均維持在95％以上，當電流密度增大到2000mAg-1時，材料的放電比

6、容量依然保持在814.9mAh g-1，表現(xiàn)出較高的庫倫效率和可逆性。通過恒流充放電曲線發(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復合納米片表面包覆一層厚度～20nm的升華硫層。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)過電化學性能的測試發(fā)現(xiàn)，電流密度為200mAg-1，最后58次循環(huán)過程中，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復合材料表面涂覆一層厚度為～30nm的升華硫，利用XRD對其進行物