锂硫电池正极材料的制备及其电化学性能研究

发布时间：2017-02-27 14:02

  本文关键词：锂硫电池正极材料的制备及其电化学性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

《河北科技大学》 2014年

锂硫电池正极材料的制备及其电化学性能研究

李娜  

【摘要】：锂硫电池是一种以单质硫为正极活性物质，金属锂为负极而构筑的新型二次电池体系。其理论能量密度为2600Wh/kg，且成本低廉、环境友好，被认为是下一代最具发展潜力的高能化学电源。但这种基于溶解沉积反应的锂/硫电池体系存在正极活性物质利用率低、循环性能差和电化学钝性等缺点，严重制约了锂硫电池的发展。本文采用化学和物理方法制备了不同结构的碳材料（石墨烯，，多孔碳等），并将其作为导电载体与硫复合制作正极，在给定的实验条件下，利用CV、EIS和充放电等测试手段考察了不同结构碳材料对锂/硫电池电化学性能的影响。 以天然石墨粉为原料，采用Hummer法制备氧化石墨烯，通过改变氧化时间、超声时间、还原方法对石墨烯的制备工艺进行优化。并利用XRD、SEM、TEM等手段对其微观结构和形貌进行了表征：当中温35℃、氧化时间为3h，高温95℃、氧化时间为0.5h且超声剥离2h石墨膨胀更完全，氧化插层充分；同时，采用高温还原（1000℃）和化学还原法使氧化石墨烯还原更完全，所制石墨烯呈明显的不规则片层状，多层剥离，层间距大于石墨。 采用不同复合方法（机械混合法、化学两步法、熔融法）制备硫/石墨烯正极材料，分别以锂为负极组装扣式电池。通过CV、EIS、充放电测试表明：以化学两步法制备的硫/石墨烯正极首次放电比容量最大，当含硫量为54.94wt%时，在0.3mA/cm2电流密度下首次放电容量达1500mAh/g且放电平台平稳，30次循环后衰减到602mAh/g，说明石墨烯将硫包覆后起到导电和负载作用，使硫不易脱落流失，更有利于改善锂硫电池循环性能。 以三嵌段聚合物F127为有机结构导向剂（模板剂）并添加一定量十二烷，间苯三酚和甲醛作碳源前驱体，通过溶剂挥发自组装技术直接合成多孔碳。XRD，SEM，BET吸附等对材料进行表征显示：低聚物酚醛树脂经900℃高温碳化后，多孔碳呈块状且表面分布有丰富的孔，孔结构为介孔无序，当n(十二烷)/n(F127)=30时，孔径最大达12.5nm，说明添加十二烷一定量时起到扩孔作用。进一步采用熔融法与硫复合制得S/多孔碳正极，组装电池后进行电化学性能测试，结果表明：其首次放电容量达715mAh/g，30次循环后衰减到350mAh/g，说明添加该含量的十二烷，孔径变大，更有利于充分吸附硫粒子。 以F127为模板剂，分别与不同量的硅源正硅酸乙酯（TEOS）合成氧化硅，作为硬模板，通过填充蔗糖碳源碳化并溶除氧化硅得多孔碳。XRD、SEM、BET吸附等表征结果显示：多孔碳为卷曲堆积，其上分布着深邃的孔，且孔隙明显。当n(F127)/n(TEOS)=1:400时，多孔碳的比表面积，孔容最大，孔径分布均匀约2-4nm。将其与硫熔融制备S/多孔碳复合材料作为正极，与金属锂负极组装成电池并进行电化学性能测试，结果表明：首次放电比容量为600mAh/g，循环30周后容量衰减至285mAh/g，说明2-4nm介孔结构的碳材料不利于固硫，导致电池循环性能下降。

【关键词】：
【学位授予单位】：河北科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM912
【目录】：

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