具有特殊结构的碳包覆锡基硫化物钠离子电池负极材料及储钠性能研究

As promising alternatives to lithium ion batteries, sodium ion batteries show the potential to meet the large scale grid energy storage needs because of their low cost and the relative abundance of sodium. Sodium–tin sulfides batteries hold great promise for sustainable and cost-effective applications. Nevertheless, achieving high capacity and cycling stability remains a great challenge. This project aims to develop a new system of carbon coated tin sulfides-based composite materials with unique structures to maintain the structural integrity, including core-shell structure, hollow structure, porous/mesoporous structures. In order to further restrain the volume change during the charge/discharge processes of tin sulfides, the strategy of uniform and effective carbon coating will be applied in the synthesis process, which can not only maintain the structural stability, but also prevent nanoparticles from aggregation and increase the electric conductivity of the composites. The effects of components, morphology, and structure on the electrochemical properties of the carbon coated tin sulfides composite materials will be explored based on the materials component optimization, synthesis method selection, and effective structures, in ordering to obtain the optimized germanium anode materials with high revisable capacities and high stability.

钠离子电池由于其资源丰富和价格低廉的优点，在大型储能装置和设备的应用方面引起了研究者们极大的兴趣和广泛的关注。锡基硫化物材料在钠离子电池材料中由于其高的理论比容量受到格外青睐。然而，锡基硫化物颗粒在充放电过程中产生的体积变化引起的电极材料的破碎粉化，严重影响了锡基硫化物负极材料的循环性能。因此，本课题拟采用模板法合成具有特殊结构（核壳结构、空心结构、多孔结构）的碳包覆的锡基硫化物复合材料，独特的结构设计和完整有效的碳包覆不仅可以抑制锡基硫化物的体积膨胀，维持结构稳定性，并且可增加电导率，从而全面提高锡基硫化物的电化学性能。通过碳与锡基硫化物的组成以及合成方法的优化，构筑具有特殊结构的锡基硫化物复合电极材料。通过分析复合材料中组分、形貌结构对复合材料的电化学性能的影响，得到结构稳定且电化学性能优良的锡基硫化物基材料，为具有高比能的锡基硫化物电极材料的发展提供理论与技术支持。

钠离子电池是当前国际储能材料研究领域的前沿和热点。本项目采用水热法和湿化学法合成了各类钠离子电池负极材料，针对锡基负极材料体积膨胀较大和电导率不高的缺点，结合了碳包覆和结构设计的调控方法，对其进行储钠性能的研究与改性：1. 研究了空心结构对于二硫化锡的作为钠离子电池负极材料的电化学性能影响。我们通过简单的无模板水热反应继而退火方法合成了三维结构碳包覆二硫化锡空心纳米球(SnS2@C)，该材料展现了较高的可逆容量（0.2 A g−1的电流密度下626.8 mA h g−1）。2. 设计了一种机械强度高、花状结构的SnS2电极材料来应对电化学反应过程所产生的体积变化，该材料表现出了良好的倍率性和较好的循环寿命（526.8 mA h g−1）。3. 研究了通过耦合不同能带的纳米晶体的异质结构对于电化学性能的影响。通过水热法、湿化学法以及气相沉积法成功地合成了SnS/TiO2@C复合材料。该方法结合异质结结构的特征，可以为电荷转移提供驱动力。同时，外层的碳包裹不仅可以缓解材料的粉化，而且可以提高复合材料的电导率。此外，内部的中空结构能提供丰富的活性位点并缩短离子扩散途径，从而在一定程度上缓解了在循环时的体积变化，从而改善材料的电化学性能（0.2 A g−1的电流密度下331.2 mA h g−1）。4. 基于双金属硫化物在化学活性方面要比单金属的硫化物要高的特点，探讨了双金属硫化物的球中套球空心球结构以提高钠离子在充放电过程中的嵌入脱出以及电子的转移。主要通过阴离子交换法，制备了NiCo2S4球中套球空心结构，并运用管式炉煅烧包覆碳层制备出NiS/Co9S8@C复合材料，该材料展现了较高的可逆容量（1 A g−1的电流密度下335.1 mA h g−1）和倍率性能。5. 通过纳米结构与导电基质相结合的策略设计出硫化钴，并构建中空纳米结构来限制体积由于钠离子脱嵌造成的体积膨胀现象，具体机理作用表现为通过纳米材料自身内部中空的自由空间来吸收体积膨胀来减轻或抑制体积变化，同时也可以大大缩短Na +的扩散路径，有效避免材料结构的膨胀瓦解和硫化钴材料自身的粉碎，极大的提高了电池的可逆容量和电池测试中的安全性。本项目建立了材料结构和性能的实验联系和相界规律，发展了钠离子电池负极材料的制备技术，取得了高性能电极材料的创新成果，为并为其实际应用提供基础。