摘要
自钾离子被证实可以在石墨层间自由嵌入/脱出以来，新型钾离子电池的开发便成为储能领域的又一前沿热点。现阶段钾离子电池负极研究中，合金型负极和转换型过渡金属硫化物由于可实现多个电子的转移而具有较高的理论容量，得到了研究者们的广泛关注。然而，两者在电化学反应的过程中均存在较大的体积变化且本征储钾机制尚不并不明确。如何进行高效的结构设计从而实现此类电极材料的开发与探索是当前研究的热点和难点。在本论文中，通过将锑负极和NiS2限域到碳材料中，分别构筑了一种三维碳骨架限域Sb纳米颗粒和三维褶皱石墨烯限域NiS2的电极材料，实现了高效的碳/纳米材料复合结构设计，并探究了这两种电极材料在钾离子电池中的电化学性能，同时也对电化学反应过程中的本征储钾机制进行了探索研究。主要研究结果如下： 1.发展了一种三维碳骨架限域锑纳米颗粒（3D SbNPs@C）复合电极材料的制备方法。通过采用NaCl模板辅助自组装的方法，对样品冷冻干燥处理后再进行碳热还原，成功将Sb3+还原成Sb纳米颗粒并限域在碳骨架的内部。通过与块状锑粉材料的对比研究证明了所设计的3D SbNPs@C结构的优越性。电化学性能测试表明，其在200mA g-1电流密度下可逆容量可达461mAh g-1，甚至在1000mA g-1的大电流密度下循环50圈，仍能保持228mAh g-1的高比容量。 2.借助原位XRD测试和非原位TEM技术，同时结合电化学基本原理，揭示了锑基材料作为钾离子电池负极的本征储能机制：首先，钾离子先嵌入到Sb的晶体内部，形成K-Sb合金，最终转变为立方相的K3Sb，证明了电化学储钾的两步反应机制，从而为锑负极进一步发展提供有力的实验证明。 3.构筑了一种三维褶皱石墨烯限域纳米二硫化镍（3D NiS2/GO）的复合电极材料，首先探究了不同硫源和石墨烯的引入对结构与形貌的影响，通过与原始NiS2的性能对比，研究分析3D NiS2/GO结构与电化学性能之间的相关性。将制备的3D NiS2/GO应用于钾离子电池时，可实现在100mAh g-1的电流密度下循环50圈后仍能够保持391mAh g-1的可逆比容量。同时，通过原位XRD测试和非原位Raman相结合的方式，探究了NiS2在钾离子电池中的本征储能机制。
NETL