硫化钴/碳纤维复合材料的制备及储锂性能研究

doi:10.12422/j.issn.1006-396X.2024.06.008

石油化工高等学校学报 ›› 2024, Vol. 37 ›› Issue (6): 74-82.DOI: 10.12422/j.issn.1006-396X.2024.06.008

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硫化钴/碳纤维复合材料的制备及储锂性能研究

汤汇川¹^,²(), 刘明泓¹^,², 李奥杰¹^,², 伍仟琦¹^,², 姜乔¹^,², 王海涛³, 王溦¹^,²()

^1.湖南理工学院先进碳基功能材料湖南省重点实验室, 湖南岳阳 414006
^2.湖南理工学院化学化工学院, 湖南岳阳 414006
^3.武汉工程大学化学与环境工程学院, 湖北武汉 430205

收稿日期:2024-06-07 修回日期:2024-10-28 出版日期:2024-12-25 发布日期:2024-12-24
通讯作者: 王溦
作者简介:汤汇川（2000-），男，硕士研究生，从事碳基复合材料的制备与应用方面的研究；E-mail：2515977909@qq.com。
基金资助:
湖南省自然科学基金面上项目(2023JJ30280)

Preparation of Cobalt Sulfide/Carbon Fiber Composites and Research on Lithium Storage Properties

Huichuan TANG¹^,²(), Minghong LIU¹^,², Aojie LI¹^,², Qianqi WU¹^,², Qiao JIANG¹^,², Haitao WANG³, Wei WANG¹^,²()

^1.Key Laboratory of Hunan Province for Advanced Carbon-Based Functional Materials，Hunan Institute of Science and Technology，Yueyang Hunan 414006，China
^2.School of Chemistry and Chemical Engineering，Hunan Institute of Science and Technology，Yueyang Hunan 414006，China
^3.College of Chemical and Environmental Engineering，Wuhan University of Engineering，Wuhan Hubei 430205，China

Received:2024-06-07 Revised:2024-10-28 Published:2024-12-25 Online:2024-12-24
Contact: Wei WANG

摘要/Abstract

摘要：

在相转变储锂材料中，过渡金属硫化物导电性优于氧化物，且具有较高的理论储锂容量，但其循环稳定性仍需改善。采用一种简单的静电纺丝法制备了在静电纺丝纤维上原位生长钴基沸石咪唑酯骨架（Co-ZIFs）的复合材料，并利用微区ZIFs的稳定结构，在N₂热处理中实现了金属颗粒的空间限域；通过硫化反应制备了硫化钴/碳纤维复合材料（CoS/CFs），并采用X射线衍射（XRD）和拉曼光谱等技术对材料的结构和成分进行了表征。结果表明，CoS颗粒均匀分布在碳纳米纤维上；优化后的复合材料具有优异的储锂性能，在电流密度为1 A/g时循环250圈，仍能保持584.5 mA·h/g的比容量，表明其在储锂应用中具有优异的循环稳定性和广阔的应用前景。

关键词: 复合材料, 静电纺丝, 硫化钴, Co-ZIFs, 锂离子电池

Abstract:

Transition metal sulfides are known for their high conductivity and theoretical lithium storage capacity,making them promising materials for phase change lithium storage.However,their cycling stability needs improvement.A simple electrostatic spinning method was used to prepare composites with in situ growth of cobalt-based zeolite imidazolite backbones(Co-ZIFs) on electrostatically spun fibers,and the stabilized structure of microzonated ZIFs was exploited to achieve spatially confined domains of metal particles in an N_? heat treatment. Cobalt sulfide/carbon fiber composites (CoS/CFs) were then synthesized through a sulfidation reaction.X-ray diffraction (XRD) and Raman spectroscopy confirmed the uniform distribution of CoS particles on the carbon nanofibers.The optimized composite showed excellent lithium storage performance,maintaining a specific capacity of 584.5 mA·h/g after 250 cycles at a current density of 1 A/g.This demonstrates outstanding cycling stability and suggests promising applications in lithium storage.

Key words: Composites, Electrostatic spinning, Cobalt sulfide, Co-ZIFs, Lithium-ion batteries

中图分类号:

TQ15

汤汇川, 刘明泓, 李奥杰, 伍仟琦, 姜乔, 王海涛, 王溦. 硫化钴/碳纤维复合材料的制备及储锂性能研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2024, 37(6): 74-82.

Huichuan TANG, Minghong LIU, Aojie LI, Qianqi WU, Qiao JIANG, Haitao WANG, Wei WANG. Preparation of Cobalt Sulfide/Carbon Fiber Composites and Research on Lithium Storage Properties[J]. Journal of Petrochemical Universities, 2024, 37(6): 74-82.

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图/表 8

图1 CoS/CFs-x的制备示意图

Fig.1 Representation of the synthesis of CoS/CFs-x

图2 CoS/CFs-x的XRD和拉曼光谱（a） XRD （b）拉曼光谱

Fig.2 XRD patterns, Raman spectra of CoS/CFs-x

图3 CoS/CFs-1.5的N2吸附-脱附及其孔径分布曲线（a） N2吸附-脱附（b）孔径分布

Fig.3 N2 adsorption-desorption and pore size distribution curves of CoS/CFs-1.5

图4 CoS/CFs-x的热重分析曲线

Fig.4 TG curve of CoS/CFs-x

图5 CoS/CFs-1.5的XPS谱图

Fig.5 XPS spectra of CoS/CFs-1.5

图6 CoS/CFs-x的SEM及CoS/CFs-1.5的TEM、HRTEM和选区电子衍射图及TEM-EDS Mapping谱图选区电子衍射图 Mapping谱图

Fig.6 SEM of CoS/CFs-x andTEM,HRTEM and corresponding SAED pattern and TEM-EDS Mapping of CoS/CFs-1.5

图7 CoS/CFs-x的电化学性能分析结果

Fig.7 Electrochemical performance analysis results of CoS/CFs-x

图8 CoS/CFs-1.5的储锂动力学性能

Fig. 8 Kinetic performance diagram of lithium storage of CoS/CFs-1.5

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Preparation of Cobalt Sulfide/Carbon Fiber Composites and Research on Lithium Storage Properties

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