摘要
当今社会的飞速发展极大地推动了人类社会文明的进程，但是这必然会对赖以生存的外部环境造成许多负面影响：不可再生资源的过度开采、环境污染严重、自然灾害频发等，而新兴能源产业作为新时代三大主流产业之一受到了研究人员的广泛关注。锂离子电池由于具备循环稳定性高和绿色环保等优势现已成为研发技术最成熟的新型能源转换装置，而锂离子电池重要组成部分——负极材料则是决定其性能的关键因素，目前已实现商业化应用的负极材料仅为碳材料，所以开发一种高性能、低成本的锂离子电池负极材料迫在眉睫。硫化锌(ZnS)因其理论比容量高达963mAh/g且储量丰富、价格低廉、绿色环保，逐渐进入研究人员的视野当中。但是，ZnS材料的电子电导率不高，倍率性能不理想；并且在脱嵌锂过程中会产生严重的体积膨胀现象，比容量衰减迅速。因此，如何解决ZnS材料的上述问题已成为研究人员重点研究方向。本文采用溶剂热法制备纳米ZnS材料，通过添加表面活性剂和碳包覆改性对ZnS进行优化处理以合成ZnS/C材料。具体研究内容如下： 1.以Zn(NO3)2·6H2O和CH4N2S为反应物，乙二醇作溶剂，在没有其他试剂辅助下采用溶剂热法合成纳米级ZnS材料。XRD、SEM测试结果表明，当反应温度为160℃、反应时间为10h时合成的ZnS材料纯度高、结晶度良好、晶体结构较完整；且合成的ZnS材料球形形貌良好，晶粒分布均匀，尺寸约在100nm左右。电化学性能测试结果表明，ZnS电极材料的首次嵌锂比容量为974.4mAh/g，50次循环后，其放电比容量仅剩338.8mAh/g，容量保持率为34.77%；当倍率增大至2.0C时，其放电比容量仅剩133.3mAh/g。 2.利用2mmol PVP表面活性剂改性合成的纳米ZnS材料结晶度更高，晶体结构更完整，产物粒径均一，晶粒尺寸在80~100nm之间，球形形貌规整统一、团聚现象明显改善。将表面活性剂PVP改性合成的纳米ZnS作锂离子电池负极材料，对其电化学性能进行表征分析可知，当电流密度为0.1C时，其首次放电比容量为974.4mAh/g且循环50次后的放电比容量仍维持在420mAh/g以上，容量保持率为52.47%；当进行大倍率充放电时，其放电比容量仍保持在180mAh/g以上；与改性前ZnS相比，PVP改性后样品材料的电化学性能有所提高。 3.以葡萄糖为碳源，选取表面活性剂PVP改性后的纳米ZnS材料进行碳包覆改性处理。XRD、TEM和电化学性能测试结果表明，利用原位碳包覆法在碳包覆含量50wt%时合成的ZnS/C复合材料结晶度高、晶体结构完整，颗粒尺寸均一，约为80nm，晶粒单分散性好；其首次放电比容量较高为1189.8mAh/g，循环稳定性理想，50次循环后的放电比容量仍可维持在948.9mAh/g，容量保持率高达79.75%，碳材料的加入显著改善了ZnS材料的电化学性能。 4.将表面活性剂PVP改性后的纳米ZnS材料经高温煅烧合成ZnO，利用碳包覆法制备ZnO/C复合材料。测试结果说明，ZnO/C复合材料结晶度较高，且ZnS在高温煅烧后完全转化为ZnO；产物晶粒球形度较好，粒径小于100nm，存在轻微的团聚现象；但作锂离子电池时，ZnO/C材料的电化学性能却不尽如人意；其首次放电比容量为933.1mAh/g，随着循环次数的不断增加，放电比容量衰减迅速，50次循环后其放电比容量仅为368mAh/g；当进行2.0C大倍率充放电时，其放电比容量仅为158.8mAh/g；与ZnS/C电极相比较，ZnO/C电极材料的循环稳定性和倍率性能均不理想。
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