碳/鎳基復(fù)合材料制備及其在鋰電池中的應(yīng)用價(jià)值探討

趙田帥 劉中寶 張繼偉

摘要：近年來我國的電動汽車越來越多，各種類型的電子產(chǎn)品也廣泛應(yīng)用于居民家中，這種境況使得鋰離子電池需求大幅增長。目前鋰電池的負(fù)極是石墨材料，理論容量較低限制了鋰電池更高的發(fā)展。鎳基化合物理論容量較高且儲量充足，比較適宜充當(dāng)鋰離子電池的負(fù)極材料，但其還有低導(dǎo)電率的固有屬性，在充放電過程中體積也會發(fā)生變化。本文為緩解這兩個(gè)問題，采用了碳基材料作為基體制備了納米結(jié)構(gòu)的碳/鎳基復(fù)合材料。此材料的整體穩(wěn)定性和導(dǎo)電性都有了較為顯著的改善。

關(guān)鍵詞：鎳基化合物;碳復(fù)合材料;鋰電池;負(fù)極材料

科技的發(fā)展和應(yīng)用需要有能源的支撐，現(xiàn)在傳統(tǒng)化學(xué)能源正在被新型清潔能源逐漸替代。各類清潔能源都需要被轉(zhuǎn)化為電能才能為人類所用，這就要求更加優(yōu)異的電能儲存設(shè)備。在當(dāng)下許多新型儲能設(shè)備中，鋰離子電池因?yàn)檩p便、使用壽命長、儲能密度高的優(yōu)點(diǎn)被技術(shù)人員越發(fā)看重。并且應(yīng)用到手機(jī)、電動汽車等諸多領(lǐng)域。

過高的需求量和科技發(fā)展的趨勢，使得人們對鋰離子電池的效率和整體性能要求變高。鋰離子電池的整體性能受限于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的許多部分，其中有重要影響的一部分就是電極材料。要想提高鋰離子電池的性能和儲電效率，就必須要找到更加高效、使用壽命更長、容量更高的電極材料。

過渡金屬氧化物（TMOs）和過渡金屬硫化物（TMOs）因其理論容量大、來源豐富、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是電極電位材料。特別是NiS2由于其具有870 mAh G-1的高理論容量而引起了許多研究者的關(guān)注。但由于其固有的低電導(dǎo)率和充放電過程中體積變化嚴(yán)重，限制了其在鋰離子電池中的應(yīng)用。本文為解決這兩項(xiàng)缺陷，使用碳基材料與NiS2復(fù)合，制備出NiS2/CNHs 復(fù)合材料，提升鋰離子電池的整體性能和充電效率，并避免了上述的兩種問題。

1.實(shí)驗(yàn)與制備

1.1 藥品與儀器

本文所有實(shí)驗(yàn)所需要的藥品如表1所示。

本文所需要的實(shí)驗(yàn)儀器包括如表2所示。

1.2材料表征

（1）X射線衍射分析：X射線衍射分析（XRD）是對材料進(jìn)行物象與結(jié)構(gòu)的分析手段，主要用來確定樣品的物質(zhì)組成和機(jī)體結(jié)構(gòu)類型，使用Max 2500PC測試儀。電壓40kv，電流250mA。

（2）掃描電子顯微鏡（SEM）：用來觀察樣品的微觀形貌的儀器和方法。將樣品置于乙醇中，滴至硅片上使用SEM觀察。

（3）比表面積測試（BET）：這是測試材料的孔徑分布和比表面積的方法。通過N2在樣品中的吸附與脫離情況觀察，以BET法可以得到樣品的比表面積大小。使用儀器為ASAP2420測試儀。

（4）拉曼光譜分析（Raman）：基于拉曼散射效應(yīng)，分析同入射光譜頻率不同的散射光，以測得樣品的分子結(jié)構(gòu)。

1.3制備純NiS2材料

以50ml水與20ml乙醇制成混合溶液，然后在其中添加六次甲基四胺（2.8g）以及六水合硝酸鎳（2.9g）。將溶液攪拌至清水色后置于高壓反應(yīng)釜，之后在100℃烘箱中放置10小時(shí)，之后使其自然降低至室溫，使用離心機(jī)取得溶液中的產(chǎn)物，清洗后烘干。

通過上述操作后得到固體粉末狀樣品，將其放在管式爐中，在氮?dú)鈿夥障律郎氐?00攝氏度并保持兩小時(shí)，然后降低到350攝氏度，最后通入空氣冷卻至室溫。取樣品研磨成粉，并與升華硫混合，混合比例為2：9，在氮?dú)鈿夥障律郎刂?00攝氏度保持2小時(shí)，再升溫至500攝氏度保溫2小時(shí)。最后使其自然冷卻，即可得到純NiS2材料。

1.4制備NiS2/CNHs 復(fù)合材料

將先前Ni（OH）2/RF/SiO2樣品盛放在容器中，在氮?dú)鈿夥障律郎刂?00攝氏度保持2小時(shí)，后通入空氣自然冷卻到室溫。然后將樣品混合于NaOH溶液中，升溫至70℃，使用攪拌機(jī)攪拌48小時(shí)之后進(jìn)入離心機(jī)進(jìn)行分離樣品，用乙醇及水溶液清洗后，放置于70攝氏度的烘干箱中12小時(shí)，得到NiO/CNHs。

然后將NiO/CNHs產(chǎn)物和升華硫研磨混合，比例為2：9。在氮?dú)庀律郎刂?00℃保持2小時(shí)，在升溫至500℃保持2小時(shí)。最后使樣品自然冷卻即可制成NiS2/CNHs 復(fù)合材料。

2.NiS2/CNHs的價(jià)值分析

為了研究NiS2/CNHs材料在鋰離子電池中的應(yīng)用價(jià)值，本文將材料裝配到紐扣半電池中進(jìn)行相關(guān)測試。首先是測試NiS2/CNHs的電極首圈充放電能力，如圖1所示。

由圖可以看到NiS2/CNHs的電極首圈充放電數(shù)值，充電容量為1189.2mAhg，放電容量為1714.5mAhg。對應(yīng)的初始庫倫效率是69.36%，在首圈循環(huán)中，很大一部分電能損失是為了形成SEI膜而消耗的。更多的電池容量得以在1.5V電壓下釋放，這有益于優(yōu)化電池能量密度。

通過SEM觀察多次充放電循環(huán)后的NiS2/CNHs電極，圖像如圖2所示。

通過觀察NiS2/CNHs電極的SEM圖像，我們可以看出：NiS2/CNHs復(fù)合材料電極的結(jié)構(gòu)骨架仍然保存完好，這說明其具備較高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，能夠承載更多次數(shù)的充放電循環(huán)，并承載更大的電流密度。這表示使用NiS2/CNHs復(fù)合材料的鋰電池具備更長的使用壽命，相較于傳統(tǒng)電極材料具備更高的循環(huán)穩(wěn)定性還是倍率性能，因此有更高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和環(huán)保性。

3.結(jié)論

本文通過對NiS2/CNHs復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)研究，得出其在儲鋰性能方面如此優(yōu)異的原因。

其原因主要是因?yàn)榫邆洫?dú)特的三維開放式結(jié)構(gòu)，具體可以歸納為以下兩點(diǎn)：（1）NiS2納米粒子在CNHs骨架上均勻分散，可以有效地減少NiS2粒子的團(tuán)聚，并且在長期循環(huán)過程中也能緩沖NiS2粒子的體積膨脹;（2）NiS2納米粒子與CNHs的緊密結(jié)合可以顯著提高復(fù)合材料整體的電導(dǎo)率。

NiS2/CNHs電極作為鋰離子電池負(fù)極，具備突出的充放電穩(wěn)定性和倍率性能，值得在鋰離子電池中實(shí)際應(yīng)用。

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作者簡介：

趙田帥（1989.10.10），男，河南省安陽市人，內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市昆都侖區(qū)內(nèi)蒙古科技大學(xué)，材料化學(xué)專業(yè)，本科生.

劉中寶（1999.10.17），男，貴州省銅仁市人，內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市昆都侖區(qū)內(nèi)蒙古科技大學(xué)，材料化學(xué)專業(yè)，本科生.

張繼偉（2001.08.06），男，內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市人，內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市昆都侖區(qū)內(nèi)蒙古科技大學(xué)，材料化學(xué)專業(yè)，本科生.

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)?內(nèi)蒙古?包頭?014010）