多孔碳球的制备及其在锂硫电池隔膜中的应用研究
发布时间：2022-08-11 10:09
随着科技的快速发展,人们对于储能设备的要求不断提高,尤其是在新能源汽车电池的开发上,传统锂离子电池的容量已经到达极限,不能满足市场的需求。锂硫电池作为一种新型二次能源,凭借着环境友好和高理论比容量等特点广受关注。但锂硫电池中存在的诸多问题,如活性物质利用率低、正极材料的体积膨胀和多硫化物（LiPSs）的穿梭效应等都限制了其商业化的使用。为解决上述问题,本文在多孔碳球的合成基础上,通过两种改性方式对其进行修饰,并将修饰后的碳材料涂覆在商业聚丙烯（PP）隔膜表面,探索其对隔膜电化学性能和锂硫电池循环性能的影响。首先,以多巴胺为氮（N）源和碳（C）源合成多孔碳微球（MCS）;以九水硝酸铁（Fe（NO3）3·9H2O）为铁源,通过煅烧浸渍过铁盐的碳微球,成功将铁元素掺杂在碳微球的内部。通过比较不同掺杂比的微球形貌和性能,确定最佳工艺参数,并将该铁、氮共掺杂碳微球（Fe/N@MCS）用于商业PP隔膜修饰。在0.2C电流密度下,初始放电容量高达1398.3 mAh/g;在0.5 C大电流密度下,初始放电容量仍然可达922.4 mAh/g。其次,通过水热法在聚多巴胺微球表面包覆一层二硫化钼（MoS2...
【文章页数】：95 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
学位论文数据
摘要
Abstract
符号说明
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 锂硫电池概述
1.2.1 锂硫电池的反应机理
1.2.2 锂硫电池领域目前存在的技术问题
1.2.2.1 锂硫电池面临的主要问题
1.2.2.2 锂硫电池的优化方案
1.3 锂硫电池隔层的研究现状
1.3.1 碳材料隔层
1.3.2 导电聚合物隔层
1.4 锂硫电池隔膜的研究现状
1.4.1 金属氧化物改性隔膜
1.4.2 碳基复合材料改性隔膜
1.4.3 聚合物改性隔膜
1.5 本课题的研究目的和主要内容
1.5.1 选题的背景、目的和意义
1.5.2 本论文的主要内容
第二章 实验部分
2.1 实验材料
2.2 实验仪器
2.3 电极的制备及电池的组装
2.3.1 电极的制备
2.3.2 电池的组装
2.4 测试与表征方法
2.4.1 扫描电子显微镜分析(SEM)
2.4.2 透射电子显微镜分析(TEM)
2.4.3 热重测试分析(TG)
2.4.4 比表面积测试(BET)
2.4.5 拉曼光谱测试分析(Raman)
2.4.6 X射线光电子能谱测试分析(XPS)
2.4.7 X射线衍射测试分析(XRD)
2.4.8 傅里叶变换红外光谱测试分析(FTIR)
2.4.9 多硫化物穿梭实验
2.4.10 电化学性能测试方法
2.4.10.1 电导率测试分析
2.4.10.2 恒电流充放电测试
2.4.10.3 循环伏安测试(CV)
2.4.10.4 循环倍率测试
2.4.10.5 电化学阻抗测试(EIS)
第三章 铁/氮碳复合微球的制备及应用研究
3.1 引言
3.2 Fe/N@MCS复合材料及其修饰隔膜的制备
3.2.1 MCS的制备
3.2.2 Fe/N@MCS复合材料的制备
3.2.3 Fe/N@MCS复合材料改性隔膜的制备
3.3 实验结果与讨论
3.3.1 Fe/N@MCS复合材料及其修饰隔膜的微观形貌表征分析
3.3.2 Fe/N@MCS复合材料的比表面积测试分析
3.3.3 Fe/N@MCS复合材料的X射线衍射分析
3.3.4 Fe/N@MCS复合材料拉曼测试分析
3.3.5 Fe/N@MCS复合材料的X射线光电子能谱测试分析
3.3.6 Fe/N@MCS复合材料修饰隔膜的机械强度测试分析
3.3.7 Fe/N@MCS复合材料修饰隔膜导电性能测试分析
3.3.8 Fe/N@MCS复合材料修饰隔膜电化学性能和催化特性分析
3.3.8.1 循环性能测试
3.3.8.2 倍率性能测试
3.3.8.3 交流阻抗测试
3.3.8.4 催化特性研究分析
3.3.9 LiPSs扩散实验
3.3.10 Fe/N@MCS复合材料与LiPSs作用机制
3.4 本章小结
第四章 二硫化钼/碳复合微球的制备及应用研究
4.1 引言
4.2 MoS_2@MCS复合材料及其修饰隔膜的制备
4.2.1 PDS的制备
4.2.2 MoS_2@MCS复合材料的制备
4.2.3 MoS_2@MCS复合材料改性隔膜的制备
4.3 实验结果与分析
4.3.1 MoS_2@MCS复合材料及其修饰隔膜的微观形貌表征
4.3.2 MoS_2@MCS复合材料的X射线衍射分析
4.3.3 MoS_2@MCS复合材料的拉曼测试分析
4.3.4 MoS_2@MCS复合材料的X射线光电子能谱测试分析
4.3.5 MoS_2@MCS复合材料的比表面积测试分析
4.3.6 MoS_2@MCS复合材料修饰隔膜电化学性能和催化特性分析
4.3.6.1 循环性能测试
4.3.6.2 倍率性能测试
4.3.6.3 交流阻抗测试
4.3.6.4 循环伏安测试分析
4.3.7 LiPSs扩散实验
4.3.8 粘接剂种类对电池性能的影响
4.3.8.1 粘接剂的基础性能表征分析
4.3.8.2 寿命循环测试
4.3.8.3 交流阻抗测试
4.3.8.4 修饰隔膜形貌结构表征
4.4 本章小结
第五章 结论
参考文献
致谢
研究成果及发表的学术论文
作者和导师介绍
专业学位硕士研究生学位论文答辩委员会决议书
【参考文献】：
期刊论文
[1]Battery Separators Functionalized with Edge-Rich MoS2/C Hollow Microspheres for the Uniform Deposition of Li2S in High-Performance Lithium-Sulfur Batteries[J]. Nan Zheng,Guangyu Jiang,Xiao Chen,Jiayi Mao,Nan Jiang,Yongsheng Li. Nano-Micro Letters. 2019(03)
[2]生物衍生的氮掺杂多孔碳材料作为高能锂硫电池的固硫材料（英文）[J]. 刘艳艳,严立京,曾显清,李泽珩,周蜀东,杜乔昆,孟祥娟,曾小敏,凌敏,孙铭浩,钱超,梁成都. Journal of Central South University. 2019(06)
[3]A metal nitride interlayer for long life lithium sulfur batteries[J]. Jin-Lei Qin,Huiyou Zhao,Jia-Qi Huang. Journal of Energy Chemistry. 2019(02)
[4]MoS2 decorated lignin-derived hierarchical mesoporous carbon hybrid nanospheres with exceptional Li-ion battery cycle stability[J]. Feng Chen,Long Wu,Zeping Zhou,Jiajun Ju,Zhengping Zhao,Mingqiang Zhong,Tairong Kuang. Chinese Chemical Letters. 2019(01)
[5]锂硫电池自放电特性的研究[J]. 谭震,王崇,徐东彦,陈剑. 高校化学工程学报. 2017(04)
[6]Pyrolyzed bacterial cellulose/graphene oxide sandwich interlayer for lithium–sulfur batteries[J]. Yu-Di Shen,Zhi-Chang Xiao,Li-Xiao Miao,De-Bin Kong,Xiao-Yu Zheng,Yan-Hong Chang,Lin-Jie Zhi. Rare Metals. 2017(05)
[7]高性能锂硫电池正极用碳基材料的表、界面修饰[J]. 袁华栋,罗剑敏,金成滨,盛欧微,黄辉,张文魁,陶新永. 储能科学与技术. 2017(03)
博士论文
[1]锂硫电池硫正极材料的设计、制备及性能研究[D]. 孙福根.华东理工大学 2014
硕士论文
[1]锂硫电池用金属化合物/氮掺杂碳复合材料的研究[D]. 张蕊蕊.河南师范大学 2018
[2]硫碳正极与聚偏氟乙烯复合隔膜在锂硫电池中的应用研究[D]. 林扬森.哈尔滨工业大学 2018
[3]改性聚丙烯隔膜的制备及在锂硫电池中的应用[D]. 李静.新疆大学 2017
[4]多孔碳/硫复合物的制备与改性及在锂硫电池中的应用[D]. 梁霄.哈尔滨工业大学 2017
本文编号：3674464
【文章页数】：95 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
学位论文数据
摘要
Abstract
符号说明
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 锂硫电池概述
1.2.1 锂硫电池的反应机理
1.2.2 锂硫电池领域目前存在的技术问题
1.2.2.1 锂硫电池面临的主要问题
1.2.2.2 锂硫电池的优化方案
1.3 锂硫电池隔层的研究现状
1.3.1 碳材料隔层
1.3.2 导电聚合物隔层
1.4 锂硫电池隔膜的研究现状
1.4.1 金属氧化物改性隔膜
1.4.2 碳基复合材料改性隔膜
1.4.3 聚合物改性隔膜
1.5 本课题的研究目的和主要内容
1.5.1 选题的背景、目的和意义
1.5.2 本论文的主要内容
第二章 实验部分
2.1 实验材料
2.2 实验仪器
2.3 电极的制备及电池的组装
2.3.1 电极的制备
2.3.2 电池的组装
2.4 测试与表征方法
2.4.1 扫描电子显微镜分析(SEM)
2.4.2 透射电子显微镜分析(TEM)
2.4.3 热重测试分析(TG)
2.4.4 比表面积测试(BET)
2.4.5 拉曼光谱测试分析(Raman)
2.4.6 X射线光电子能谱测试分析(XPS)
2.4.7 X射线衍射测试分析(XRD)
2.4.8 傅里叶变换红外光谱测试分析(FTIR)
2.4.9 多硫化物穿梭实验
2.4.10 电化学性能测试方法
2.4.10.1 电导率测试分析
2.4.10.2 恒电流充放电测试
2.4.10.3 循环伏安测试(CV)
2.4.10.4 循环倍率测试
2.4.10.5 电化学阻抗测试(EIS)
第三章 铁/氮碳复合微球的制备及应用研究
3.1 引言
3.2 Fe/N@MCS复合材料及其修饰隔膜的制备
3.2.1 MCS的制备
3.2.2 Fe/N@MCS复合材料的制备
3.2.3 Fe/N@MCS复合材料改性隔膜的制备
3.3 实验结果与讨论
3.3.1 Fe/N@MCS复合材料及其修饰隔膜的微观形貌表征分析
3.3.2 Fe/N@MCS复合材料的比表面积测试分析
3.3.3 Fe/N@MCS复合材料的X射线衍射分析
3.3.4 Fe/N@MCS复合材料拉曼测试分析
3.3.5 Fe/N@MCS复合材料的X射线光电子能谱测试分析
3.3.6 Fe/N@MCS复合材料修饰隔膜的机械强度测试分析
3.3.7 Fe/N@MCS复合材料修饰隔膜导电性能测试分析
3.3.8 Fe/N@MCS复合材料修饰隔膜电化学性能和催化特性分析
3.3.8.1 循环性能测试
3.3.8.2 倍率性能测试
3.3.8.3 交流阻抗测试
3.3.8.4 催化特性研究分析
3.3.9 LiPSs扩散实验
3.3.10 Fe/N@MCS复合材料与LiPSs作用机制
3.4 本章小结
第四章 二硫化钼/碳复合微球的制备及应用研究
4.1 引言
4.2 MoS_2@MCS复合材料及其修饰隔膜的制备
4.2.1 PDS的制备
4.2.2 MoS_2@MCS复合材料的制备
4.2.3 MoS_2@MCS复合材料改性隔膜的制备
4.3 实验结果与分析
4.3.1 MoS_2@MCS复合材料及其修饰隔膜的微观形貌表征
4.3.2 MoS_2@MCS复合材料的X射线衍射分析
4.3.3 MoS_2@MCS复合材料的拉曼测试分析
4.3.4 MoS_2@MCS复合材料的X射线光电子能谱测试分析
4.3.5 MoS_2@MCS复合材料的比表面积测试分析
4.3.6 MoS_2@MCS复合材料修饰隔膜电化学性能和催化特性分析
4.3.6.1 循环性能测试
4.3.6.2 倍率性能测试
4.3.6.3 交流阻抗测试
4.3.6.4 循环伏安测试分析
4.3.7 LiPSs扩散实验
4.3.8 粘接剂种类对电池性能的影响
4.3.8.1 粘接剂的基础性能表征分析
4.3.8.2 寿命循环测试
4.3.8.3 交流阻抗测试
4.3.8.4 修饰隔膜形貌结构表征
4.4 本章小结
第五章 结论
参考文献
致谢
研究成果及发表的学术论文
作者和导师介绍
专业学位硕士研究生学位论文答辩委员会决议书
【参考文献】：
期刊论文
[1]Battery Separators Functionalized with Edge-Rich MoS2/C Hollow Microspheres for the Uniform Deposition of Li2S in High-Performance Lithium-Sulfur Batteries[J]. Nan Zheng,Guangyu Jiang,Xiao Chen,Jiayi Mao,Nan Jiang,Yongsheng Li. Nano-Micro Letters. 2019(03)
[2]生物衍生的氮掺杂多孔碳材料作为高能锂硫电池的固硫材料（英文）[J]. 刘艳艳,严立京,曾显清,李泽珩,周蜀东,杜乔昆,孟祥娟,曾小敏,凌敏,孙铭浩,钱超,梁成都. Journal of Central South University. 2019(06)
[3]A metal nitride interlayer for long life lithium sulfur batteries[J]. Jin-Lei Qin,Huiyou Zhao,Jia-Qi Huang. Journal of Energy Chemistry. 2019(02)
[4]MoS2 decorated lignin-derived hierarchical mesoporous carbon hybrid nanospheres with exceptional Li-ion battery cycle stability[J]. Feng Chen,Long Wu,Zeping Zhou,Jiajun Ju,Zhengping Zhao,Mingqiang Zhong,Tairong Kuang. Chinese Chemical Letters. 2019(01)
[5]锂硫电池自放电特性的研究[J]. 谭震,王崇,徐东彦,陈剑. 高校化学工程学报. 2017(04)
[6]Pyrolyzed bacterial cellulose/graphene oxide sandwich interlayer for lithium–sulfur batteries[J]. Yu-Di Shen,Zhi-Chang Xiao,Li-Xiao Miao,De-Bin Kong,Xiao-Yu Zheng,Yan-Hong Chang,Lin-Jie Zhi. Rare Metals. 2017(05)
[7]高性能锂硫电池正极用碳基材料的表、界面修饰[J]. 袁华栋,罗剑敏,金成滨,盛欧微,黄辉,张文魁,陶新永. 储能科学与技术. 2017(03)
博士论文
[1]锂硫电池硫正极材料的设计、制备及性能研究[D]. 孙福根.华东理工大学 2014
硕士论文
[1]锂硫电池用金属化合物/氮掺杂碳复合材料的研究[D]. 张蕊蕊.河南师范大学 2018
[2]硫碳正极与聚偏氟乙烯复合隔膜在锂硫电池中的应用研究[D]. 林扬森.哈尔滨工业大学 2018
[3]改性聚丙烯隔膜的制备及在锂硫电池中的应用[D]. 李静.新疆大学 2017
[4]多孔碳/硫复合物的制备与改性及在锂硫电池中的应用[D]. 梁霄.哈尔滨工业大学 2017
本文编号：3674464
本文链接：https://www.wllwen.com/guanlilunwen/gongchengguanli/3674464.html
