【摘 要】
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锑基负极材料因其合金化反应而具有的高理论比容量特性,引起了研究者广泛的关注。然而,在锂/钾离子电池(LIBs/PIBs)中,Sb-Li/K合金化过程巨大的体积膨胀严重限制了其实际应用。本论文从合成条件和添加剂两个方面出发,通过静电纺丝法结合后期巧妙的退火合成了Sb2Se3/Sb/C纳米纤维、柔性Sb2Se3/Sb/C纳米纤维膜以及柔性Sb2Te3/C纳米纤维膜。通过一系列的物理表征和电化学性能测试
【基金项目】
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国家自然科学基金; 湖南省自然科学基金;
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锑基负极材料因其合金化反应而具有的高理论比容量特性,引起了研究者广泛的关注。然而,在锂/钾离子电池(LIBs/PIBs)中,Sb-Li/K合金化过程巨大的体积膨胀严重限制了其实际应用。本论文从合成条件和添加剂两个方面出发,通过静电纺丝法结合后期巧妙的退火合成了Sb2Se3/Sb/C纳米纤维、柔性Sb2Se3/Sb/C纳米纤维膜以及柔性Sb2Te3/C纳米纤维膜。通过一系列的物理表征和电化学性能测试系统地研究了材料的结构特点以及储锂/钾性能。具体的工作内容如下:1.本论文介绍了一种Sb2Se3/Sb/C纳米纤维的静电纺丝合成方法。通过巧妙地调控后期退火的温度,以Sb2Se3自身作为模板,分层的Sb2Se3和Sb颗粒全封装于碳基质内的纳米纤维(Sb2Se3/Sb/CN)被原位合成。研究表明,这种特殊的复合结构有利于Li+/K+的传输与储存,展示了出众的循环和倍率性能。在LIBs中,电流密度为0.1 A g-1时,该电极循环300次后依旧能提供764 m Ah g-1的超高放电容量。在1 A g-1循环1000圈后放电容量仍有429 m Ah g-1。更为突出的是,当电流密度增加到5 A g-1时放电比容量可观地维持在342 m Ah g-1。在PIBs中,0.1A g-1电流密度下,该电极经过100次循环之后放电比容量保持为200 m Ah g-1。2.基于以上研究,通过在前驱体溶液中加入适量的正硅酸乙酯(TEOS)添加剂,成功合成了柔性Sb2Se3/Sb/C纳米纤维膜。利用TEOS出色的偶联作用,锑基-TEOS-PVP/PAN结合层解决了聚合物与过渡金属离子间界面不相容和低黏附性导致热处理过程中结构坍塌的不利影响,增强了前驱体纤维的热稳定性。退火后形成的Sb2Se3/Sb-Si O2-C致密结合层提高了纤维的机械柔韧性,使得所制备的纤维膜经过弯曲、折叠及揉搓后依然可恢复原始形态。同时,致密、均匀且稳定的结构也成就了卓越的电化学性能。在LIBs中,0.1 A g-1下,Sb2Se3/Sb/CN-0.5T(TEOS添加量为0.5 m L)电极放电比容量高达734 m Ah g-1。在1 A g-1循环1000圈后,该电极的放电比容量保持在440 m Ah g-1。在PIBs中,Sb2Se3/Sb/CN-0.5T电极在0.05 A g-1具有372 m Ah g-1的放电比容量。在0.1 A g-1电流密度下循环300圈后放电比容量为344 m Ah g-1。3.将上述合成经验应用于导电性及体积能量密度更高的Sb2Te3材料,通过在前驱体溶液中掺入适量的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制备得到了多孔柔性Sb2Te3/C纳米纤维(P-Sb2Te3/CN)膜。一方面多孔结构为Sb2Te3的体积膨胀提供充分的自由缓冲空间,另一方面更大的比表面积赋予了更多Li+嵌/脱活性位点。在TEOS积极作用的加持下,具有优异柔韧性能的P-Sb2Te3/CN材料实现了出色的储锂性能。在1 A g-1电流密度下经过1000次循环后,P-Sb2Te3/CN电极的放电比容量固守在427 m A h g-1,容量保持率为88.9%。即使在5 A g-1的大电流密度下,该电极仍旧能够输出301 m Ah g-1的高放电比容量。
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