锂离子电池用硫化锌负极材料的制备及性能研究

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1、上海交通大学硕士学位论文锂离子电池用硫化锌负极材料的制备及性能研究姓名：裴力申请学位级别：硕士专业：化学工程指导教师：廖小珍20090101上海交通大学硕士学位论文题目:锂离子电池用硫化锌负极材料的制备及性能研究作者:裴力学位:硕士学校:上海交通大学摘要随着锂离子二次电池的日益普及，关于锂离子电池电极材料的研究也越来越得到重视，传统的碳负极材料因其低比容量已经无法满足新一代锂离子电池负极材料的需要，非碳负极材料的开发研究显得更加重要。本文针对锌基材料具有较高的贮锂容量，采用液相均匀沉淀法制备了纳米ZnS颗粒，并通过高温热解进行碳包

2、覆得到新型纳米级ZnS/C复合负极材料。研究了ZnS颗粒的固液相制备工艺及碳包覆工艺与材料性能的影响；采用XRD、SEM等测试手段分析了材料的微观结构和表面形貌；通过循环伏安（CV）、恒流充放电、非原位X射线衍射（ex-situXRD）等技术测试了其电化学性能；阐明了硫化锌材料的嵌脱锂机理；并且制备了Sn-ZnS/C复合材料，对其电化学性能进行了研究。以ZnCl2?4H2O和Na2S?9H2O为原料，用液相沉淀法制备了直径为10-20nm的ZnS纳米颗粒，并以蔗糖为碳源对其进行碳包覆处理。-1本文合成的ZnS/C在40mAg的电流

3、密度下的首次嵌锂和脱锂比容-1-1量分别为1231.8mAhg和634.7mAhg，100次充放电循环后脱锂I上海交通大学硕士学位论文-1容量仍有525mAhg、保持率达82.8%。纳米ZnS/C材料显示出较高的比容量和优秀的循环性能，是有潜力的锂离子电池负极材料之一。初步探索了ZnS材料的嵌脱锂机理，研究结果表明，在嵌锂过程中ZnS首先与Li发生置换反应，生成Zn和Li2S，生成的Zn再与锂反应形成Li-Zn合金；在脱锂过程中，锂从Li-Zn合金中脱出,Li2S分解并与Zn重新生成ZnS。其中，首次生成的Li2S无法完全可逆回去

4、，造成首次不可逆容量较大，而且在之后的循环过程中仍有部分Li2S参与电极反应。比较了ZnS的固相和液相制备工艺，选用H2O为溶剂的液相法制备ZnS材料；研究了碳包覆工艺对材料的影响，结果表明碳包覆技术有利于改善材料的电子导电性能、提高其电流效率，从而缓解电极极化、进一步改善其循环性能。此外，本文采用机械化学法制备一种兼具Sn材料的高理论容量和ZnS/C材料的优异循环性能的复合材料Sn-ZnS/C，实验结果表明机械化学法能够发生设想的固相置换反应，并且所制得材料的首次嵌锂比容量和库仑效率优于ZnS/C，而且脱锂电位更低，更加适合用作

5、锂离子电池的负极材料。关键词：锂离子电池、负极材料、硫化锌、碳包覆、均匀沉淀法II上海交通大学硕士学位论文SYNTHESISANDELECTROCHEMICALPERFORMANCEOFZINCSULFIDEANODEMATERIALFORLITHIUM-IONBATTERIESABSTRACTWiththerapiddevelopmentofrechargeablelithium-ionbatteries,muchefforthasbeenfocusoninvestigationofnewelectrodematerials.C

6、arbonmaterials(theoreticalcapacityof372mAh/g)presentlyusedincommercialLi-ionbatteriesisinsufficienttomeetthefurtherdemandofthenewgenerationoflithium-ionbatteries.Thesearchfornewanodematerialshasbeenmotivatedbyneedsforhigherenergy,improvedcyclelifeandsafety.Inthispaper

7、,wefocusedonthestudiesofZinc-basedmaterialsusedasanodematerialsforlithiumionbatteries.ZnS/Ccompositeswerepreparedusingliquidhomogeneousprecipitationmethodcombinedwithacarboncoatingprocessbyhigh-temperaturepyrolysis.Themicroscopicstructureandsurfacemorphologyoftheprepa

8、redZnS/CcompositewereanalyzedbyXRDandSEM.Electrochemicalpropertiesofthematerialweremeasuredbycharge-dischargetestandcyclicvo