温度梯度溶剂热自模板法制备中空WS2@C核壳结构及其储钠机理
批准号:
52073166
项目类别:
面上项目
资助金额:
59.0 万元
负责人:
曹丽云
依托单位:
学科分类:
新概念材料
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
曹丽云
中文摘要
类石墨层状WS2是一种理想的钠离子电池负极材料,在电子设备等能量储存领域具有广阔应用前景。然而其低导电性和充放电过程中的结构不稳导致其倍率和循环稳定性能较差,是亟待解决的难题。基于此,本项目设计了具有中空形貌物理限域的WS2@C核壳结构,利用中空和表面限域结构抑制WS2体积膨胀导致的结构不稳定,利用C包覆提高其导电性,协同解决循环稳定和倍率性能差的难题。拟采用温度梯度溶剂热自模板法来构建中空WS2@C结构,先在不同形貌有机模板表面低温自组装WS2纳米片;然后升温使模板消解,形成中空WS2组装体;之后将溶解的模板在高温下碳化,在组装体表面沉积C包覆层,获得中空WS2@C核壳结构。通过优化工艺、结构和性能,探索中空结构、碳掺杂、表界面和晶体结构的调控机制;阐明电化学原理,揭示循环稳定性和倍率能力的协同提升机制,建立结构-储钠机理-性能的关系模型,进一步提升WS2的电化学性能和拓宽其应用领域。
英文摘要
Graphite like layered WS2 is an ideal anode material for sodium ion battery, which has a wide application prospect in energy storage field such as electronic equipment. However, the grain pulverization and low conductivity in the process of charging and discharging lead to the poor cycle stability and rate capability. Therefore, simultaneously improving the cycling stability and rate capability of the WS2 is a problem that should be solved urgently. In order to solve this problem, this project designs a hollow WS2@C core-shell structure with physical confinement. The hollow and surface confinement structure is used to reduce the pulverization caused by the volume expansion of WS2, and the coating carbon layer is used to improve its conductivity, so as to solve the problem of cycle stability and poor rate capability. It is proposed to synthesize hollow WS2@C structure by temperature gradient self-template solvothermal reaction. At first, WS2 nanosheets are self-assembled on the surface of organic template with different morphology at low temperature. Then, hollow WS2 assembly is achieved by dissolving the template at high solvothermal temperature. Finally, the hollow WS2@C structure is obtained based on the dissolved template carbonization at a higher temperature to form carbon layer on the surface of the assembly. According to the optimizing of preparation process, structure and electrochemical performance,the cooperative regulatory mechanism of hollow structure, surface/interface and crystal structure will be explored, the electrochemical reaction mechanism will be illuminated, the synergistic enhancement mechanism of cycling stability and rate capability will be revealed. The relationship model of hollow core-shell structure, Na+ storage mechanism and electrochemical performance will be developed to provide the foundation for further enhancing the electrochemical performance and broadening the application field of WS2 materials.
硫化钨(WS2)作为一种典型的层状过渡金属二硫化物,层内为S-W-S共价键结合,层间以范德华力结合它的理论比容量为433 mAh g-1,高于石墨的372 mAh g-1,是一种理想的钠离子电池(SIBs)和钾离子电池(KIBs)负极材料。但是,WS2在充放电过程中发生转换反应存在较大的体积变化,对结构造成极大的影响和破坏,导致其循环稳定性较差。另外,材料固有的半导体特性,使得其电荷传输效率较慢,电化学反应动力学迟滞,导致差的倍率性能。为解决上述两个问题,获得高性能WS2的SIBs和KIBs负极,课题分别从缺陷结构精细调控、复合结构优化、中空复合结构设计等方面,协同提升WS2的储钠/钾性能。同时,阐明电化学反应原理,揭示了储钠/钾过程的电化学增强机理。具体的创新成果如下:(1) 通过对技术合成路线的控制合成具有不同结晶性的WS2纳米片,高结晶度的样品表现出良好的结构稳定性和优良的电化学性能;(2) 采用溶剂热法制备了镍掺杂的WS2/氧化石墨烯复合材料,Ni-WS2/GO电极展现出优异的循环稳定性和倍率性能这表明这种层间缺陷结构可以进一步拓展离子的迁移方式和路径,进而提升整体的储钠容量和实现快速的储钠反应动力学;(3) 采用一步溶剂热法合成了钒掺杂的WS2/GO复合材料,并通过不同温度的热处理得到了具有不同分布状态的缺陷结构,分别为无规则分布,部分贯穿层间分布、贯穿层间分布和无缺陷的结构,展现出快速的离子/电子传输,表现出快速的钾离子反应动力学,实现高性能储钾;(4) 通过溶剂热和液相浸渍成功地在WS2/CFC复合材料表面构建了碳支撑结构,展现出较高的循环稳定性和良好的倍率性能。一方面,浇注碳支撑结构抑制了WS2纳米片的膨胀;另一方面,暴露的(002)侧边缘结构实现了Na+的快速迁移;(5) 通过硬模板法利用MOF衍生三维中空碳作为基体合成了得到中空的WS2/C复合材料,展现出更好的循环性能和倍率性能;(6) 设计采用自模板法一步合成了碳包覆的中空WS2复合结构(H-WS2)具有较好的循环稳定性和倍率性能。这些研究成果可为高性能长寿命钠(钾)离子电池电极材料的开发应用奠定理论基础等。
钒酸铵@碳复合结构的构建、电化学性能及协同作用机制研究
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批准号:51672165
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项目类别:面上项目
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资助金额:62.0万元
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批准年份:2016
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负责人:曹丽云
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依托单位:
AlPO4 抗氧化涂层的水热电泳电弧放电沉积新技术、性能和失效机理研究
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批准号:51172134
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项目类别:面上项目
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资助金额:65.0万元
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批准年份:2011
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负责人:曹丽云
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依托单位:
基于紫外光诱导自组装微晶SmS光学薄膜的制备和生长机理研究
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批准号:50942047
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项目类别:专项基金项目
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资助金额:9.0万元
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批准年份:2009
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负责人:曹丽云
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依托单位:
国内基金
海外基金