摘要
获得兼具高容量、高倍率性能和优异循环稳定性的钠离子电池（SIBs）负极仍然面临巨大挑战。其中，硫化铋(Bi2S3)具有较高的理论比容量、可控的形貌和低成本等优点，被认为是一种有潜力的SIBs候选负极。然而，Bi2S3负极材料导电性较差，而且充放电过程中伴随着严重的体积膨胀会使负极材料结构破坏，导致电池倍率和循环性能差等问题。为了解决Bi2S3作为钠离子电池负极材料在充放电过程中导电性差和体积膨胀等关键问题，本研究采用不同的碳源与Bi2S3进行复合制备了一系列Bi2S3/C复合材料，包括Bi2S3/C、Bi2S3@C@CNFs和Bi2S3/CNFs复合材料，并对其钠储存性能进行了研究。碳质材料的加入不仅可以减缓Bi2S3在电化学反应过程中的体积膨胀，还能提升其导电性。本研究的主要工作如下所述： 1、首先，以ZIF-67为前驱体，结合离子交换和水热法制备出了棒状Bi2S3，随后，利用酚醛树脂对其进行包覆，经煅烧后得到棒状Bi2S3/C复合材料；其中棒状结构为离子和电子提供快速迁移通道；而由酚醛树脂衍生的碳材料不仅增加了Bi2S3的导电性，还在重复转换和合金过程中缓解复合材料的体积膨胀。作为SIBs的负极材料，棒状Bi2S3/C复合材料表现出优异的循环稳定性。在电流密度为0.1Ag-1时，首圈放电比容量为586.5mAhg-1，在100圈以后的放电比容量仍具有546mAhg-1，容量保持率达到93%。 2、结合化学气相沉积（CVD）和静电纺丝技术，将碳热还原与刻蚀MOF得到的碳骨架进行改性和包覆，并通过硫化得到Bi2S3@C@CNF复合材料。MOF衍生的碳骨架具有丰富的孔隙结构以及较大的比表面积，纳米纤维具有良好的导电性，碳骨架和碳纳米纤维双碳改性协同效应能够缓解负极材料在转换和合金反应中Bi2S3的体积膨胀和导电性。作为SIBs的负极材料，Bi2S3-0.5@C@CNFs在0.1Ag-1的电流密度下，首圈库伦效率为72.8%。在第二圈循环稳定后，放电比容量为476.3mAhg-1，在100循环以后仍保持448.5mAhg-1的比容量，容量保持率为94%。在0.5Ag-1电流密度下初始放电容量为375.4mAhg-1，经过660次循环后仍有303.3mAhg-1的比容量，表现出优异的循环稳定性。 3、为了解决Bi2S3基负极在充放电过程中大的体积变化和低电导率问题，提出了一种配位调节策略制备Bi2S3/碳纤维（Bi2S3/CNFs）复合材料。通过引入均苯三甲酸作为配体来提高Bi3+在聚丙烯腈纤维中的负载量和分散性。结果表明，约20~30nm的Bi2S3纳米颗粒均匀地分散在CNFs中。作为钠离子电池负极材料，在0.1Ag-1时，Bi2S3/CNFs负极的放电容量为669.3mAhg-1，100次循环后仍保持620.2mAhg-1，容量保持率为92.7%。即使在0.5Ag-1时，第二个循环的比容量为432.99mAhg-1，800次循环后仍保持在400.9mAhg-1的比容量，容量保持率为92.5%。其优异的循环性能主要归因于小Bi2S3纳米颗粒在CNFs中的均匀分散不仅可以提供丰富的活性位点，防止副反应，缓解体积膨胀，而且还可以提高电导率，加速电化学反应动力学。
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