论文总字数：23543字

摘 要

锂离子电池作为一种技术成熟、性能优异的储能器件，被广泛应用于便携电子设备。然而，锂资源储量稀少、地理位置分布不均等问题导致了锂离子电池成本较高，制约了其发展。为了满足日益增长的能源储运需求，钾离子摇椅式电池开始受到广泛关注。在新型钾离子电池负极材料中，过渡金属硫化物具有良好的氧化还原可逆性、丰富且均匀的地理分布、较高的理论容量等优点，受到了研究者的青睐。但在实际应用过程中，其体积变化大、导电性未能达到预期，因此如何通过结构设计增强过渡金属硫化物的电化学性能，是寻求钾离子电池进一步发展的方向之一。本文利用水热法构筑二硫化镍/三维多孔石墨烯复合材料，主要研究结果如下：

1. 合成了一种三维褶皱石墨烯限域NiS₂的自适应电极材料，石墨烯为NiS₂纳米颗粒提供了成核位点，并有效抑制了电极材料解体。
2. 测试3D NiS₂ /GO的电化学性能。结果显示在100mA g^-1电流密度下，可逆比容量达398mAh g^-1，且50个循环后（与第二个循环相比）显示出88%的高容量保持率。
3. 对3D NiS₂ /GO的储钾机制进行分析，结果显示了在放电反应初期，钾离子逐渐嵌入到 NiS₂ 内部，当放电完成时，它完全转变为晶相的 K₂S 和镍单质。随后的充电过程中，K 从 K₂S 中脱出，NiS₂ 由此转变为非晶相。

关键词：钾离子电池；负极材料；二硫化镍；复合材料；储钾机制

Abstract

As a kind of energy storage devices with mature technology and excellent performance, lithium ion batteries are widely used in portable electronic equipment.However, problems such as scarce lithium resource reserves and uneven geographical distribution have led to higher costs of lithium-ion batteries, which has restricted their development.In order to meet the growing demand for energy storage and transportation, potassium ion rocker chair batteries have begun to receive widespread attention.Among the new anode materials for potassium ion batteries, transition metal sulfides have the advantages of good redox reversibility, rich and uniform geographic distribution, and high theoretical capacity.Nevertheless, in the actual application process, the volume change is large and the conductivity fails to meet expectations. Therefore, how to enhance the electrochemical performance of transition metal sulfides through structural design is one of the directions for the further development of potassium ion batteries.In this paper, the hydrothermal method is used to construct nickel disulfide/three-dimensional porous graphene composite materials. The main research results are as follows:

1. A self-adaptive electrode material with three-dimensional fold graphene confined NiS₂ was synthesized. Graphene provides nucleation sites for NiS₂ nanoparticles and effectively suppresses the disintegration of electrode materials.
2. Test the electrochemical performance of 3D NiS₂/GO. The result shows that at a current density of 100 mA g^-1, the reversible specific capacity reaches 398 mAh g^-1, and after 50 cycles (compared to the second cycle) shows a high capacity retention rate of 88%.
3. The potassium storage mechanism of 3D NiS₂/GO is analyzed. The result shows that potassium ions are gradually embedded into NiS₂ in the early stage of the discharge reaction. When the discharge is completed, it is completely transformed into crystal K₂S and nickel elemental. During the subsequent charging process, K is released from K₂S, and NiS₂ is transformed into an amorphous phase.

Key Words：potassium ion battery；anode material；nickel disulfide；composite material；potassium storage mechanis

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 钾离子电池简介 1

1.2.1钾离子电池优劣势及研究现状 1

1.2.2钾离子电池的结构及工作原理 3

1.3钾离子电池负极材料 3

1.3.1 钾离子电池负极材料研究现状 3

1.3.2 过渡金属硫化物 5

1.4研究目的意义及内容 6

2.1电极材料的合成与制备 7

2.1.1实验药品 7

2.1.2 实验仪器 7

2.1.3 电极材料的制备和钾离子电池的组装 8

2.2材料的表征方法 9

2.3 电化学测试技术 11

2.3.1循环伏安测试 11

2.3.2恒流充放电测试 11

第3章NiS₂/三维多孔石墨烯复合材料的结构设计及电化学性能 12

3.1NiS₂/三维多孔石墨烯复合材料的微观形貌 12

3.1.1前驱体微观形貌分析 12

3.2 3D NiS₂/GO材料结构表征 15

3.3 3D NiS₂/GO材料电化学性能表征 18

第4章 结论 22

参考文献 23

致 谢 25

第1章 绪论

1.1 引言

锂离子电池（LIBs）凭借其高能量密度和高电压输出，在工业商业化应用中取得了成功，并在过去的几十年中成为储能设备学术研究的焦点^[1]。继锂离子电池的广泛应用之后，锂资源（主要是碳酸锂）的价格一直在大幅上涨，由于储量有限和分布不均（锂元素仅占地球储量的0.0017 wt%，且在地理位置上较集中），自21世纪初以来，该价格已经增长了两倍^[2]。预计到2050年，具有中长期供应风险的Li资源将会枯竭，与此同时，锂资源的回收利用会耗费大量的成本，经济可行性有待商榷。

锂资源供应风险促使人们开发替代性储能设备，例如钠离子电池（SIBs）和钾离子电池（PIBs）。尽管钠和钾具有比Li （0.76Å）更大的离子半径（Na ：1.02Å和K ：1.38Å）以及较高的分子量Na（23）和K（39.1），这将不可避免地阻碍K 的氧化还原动力学和PIBs的存储能力。但是，Na和K的地壳丰度分别高至2.36和2.09 wt％，与Li（0.0017 wt％）形成鲜明对比，这使得Na和K的成本远低于Li的成本，故而SIB / PIB有希望成为具有良好成本效益的碱金属离子电池。此外，K /K氧化还原电位为-2.93 V vs. NHE，低于Na /Na(-2.71 V),略高于Li /Li(-3.04 V)。相对于SIBs，PIBs从理论上可以提供更高的开路电压和能量密度。其次，K 较低的路易斯酸性,在电解液和电极/电解液界面具有高的迁移数和流动性，使钾离子电池具有更快的动力学因素^[3]。研究高效稳定的钾离子电池，是未来储能器件的发展方向之一。

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