鋰離子電池負極材料的水熱法制備及其電化學性能.pdf

1、鋰離子電池具有能量密度高、環境友好、循環壽命長等優點，在移動通訊等便攜電子設備中得到了廣泛應用。鋰離子電池以其極高的性能優勢，成為動力電池的主要發展趨勢，以鋰離子電池為動力的電動汽車已成為國際競爭的熱點，也是我國新能源汽車產業化的主要方向。石墨材料是目前廣泛使用的鋰離子電池負極材料，具有循環性能好的優點，但其比容量較低(理論容量為372mAh/g)。新一代鋰離子電池、尤其是動力鋰離子電池對電極材料在比容量和循環性能等方面提出更高的要求。

2、因此，研究開發具有比容量高和循環性能優異的新型負極材料極對于新一代鋰離子電池、尤其是動力鋰離子電池技術具有重要意義和明確的應用價值。本文基于改進的水熱合成方法，合成了不同形貌和微觀結構的過渡金屬硫化物、氧化物及其與碳的復合納米結構材料(如三維(3D)花狀MoS2、二維(2D)納米片晶體MoS2/無定形碳復合材料、多孔SnO2、片狀SnS2等），并對其形貌、微觀結構和電化學貯鋰性能進行了表征和研究。
　　 (1)室溫離子液體是一種

3、新型的環境友好溶劑，在無機材料合成過程中可以作為產物的反應媒介和形貌模板。本文以鉬酸鈉和硫代乙酰胺為前驅體，用離子液體1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽作為添加劑，水熱合成了3D花狀納米結構的MoS2，并探討了熱處理對其結構和電化學性能的影響。3D花狀結構可以提供更大的電極/電解液接觸面積和更多的鋰離子擴散通道，并且能夠承受鋰插入/脫嵌過程中的體積變化。電化學測試表明，與不添加離子液體合成的片狀結構相比，3D花狀MoS2具有更高的電化學嵌

4、/脫鋰容量和放電能力，其循環穩定性也得到了一定改善。在N2/H2混合氣體中800℃熱處理可以提高MoS2的結晶度，卻導致可逆電化學嵌/脫鋰容量的下降和循環性能的降低。
　　 (2)以鉬酸鈉、硫脲和葡萄糖為前驅體，一步法水熱合成了MoS2/碳質復合材料，800℃熱處理后得到了2D-MoS2納米片晶體/無定形碳復合材料。XRD分析結果顯示水熱合成的MoS2/碳質復合材料在熱處理后沒有出現MoS2(002)面的衍射峰，僅出現了(100

5、)和(110)面的衍射峰。這意味著MoS2在c-軸方向的晶體生長被強烈抑制了，只是在ab面的結晶度得到了提高和改善，說明MoS2具有2D納米片晶體的特征。這是由于復合材料中碳材料抑制了熱處理過程中MoS2在c-軸方向的晶體生長。這種MoS2二維納米片晶體具有更多的鋰離子擴散通道和更短的擴散距離，因此具有更高的電化學貯鋰容量。同時它與無定形碳材料的復合，提高了充放電循環中MoS2二維納米片晶體和電極的穩定性，使其具有優良的循環性能。電化學

6、測試結果證明MoS2二維納米片晶體/無定形碳復合材料作為電化學嵌鋰電極材料具有很高的容量和優異的循環穩定性，其可逆容量可以達到1065mAh/g,120次循環后仍有1011mAh/g(容量保持率為94.9％)。
　　 (3)草酸鹽前驅體法制備氧化物，具有工藝簡單、組分可控、性能穩定且重現性好等優點。以SnC2O4為前驅體，NaClO3為氧化劑水熱反應制備了多孔SnO2，并探討了氧化劑對SnO2形貌和電化學性能的影響。由于草酸根的

7、分解，在目標產物中形成了多孔的結構，擴大了電極/電解液接觸面積，有利于鋰離子的遷移；同時這種多孔結構可以容納嵌/脫鋰過程中的體積變化，改善了在大電流下的循環穩定性。
　　 (4)生物小分子輔助合成是納米材料制備的一個新方法。采用生物小分子L-半胱氨酸為輔助手段，以SnCl4·2H2O為Sn源，水熱合成了片狀SnS2。實驗發現L-半胱氨酸與Sn4+的摩爾比對產物的結構和形貌有大的影響。L-半胱氨酸：Sn4+摩爾比=2時的產物為Sn

8、O2與SnS2的混合物；當L-半胱氨酸：Sn4+摩爾比介于4和6時得到為片狀SnS2。SnS2納米片的循環壽命性能與樣品合成的濃度有關，較低濃度下合成的樣品容量保持率高。L-半胱氨酸：Sn4+=4、Sn4+為12.5mmol/L合成的SnS2在0.01～1.5V電位、電流密度100mA/g的測試條件下首次放電容量為479.6mAh/g，循環50次后的容量為438.6mAh/g，容量保持率為91.5％。
　　 此外還以水熱合成的W