MXene的制备及在锂硫电池隔膜中的应用

发布时间：2020-04-15 13:13

【摘要】：锂硫电池由于原料来源丰富,价格低廉,同时还拥有较高的理论能量密度(1675 mA h g~(-1))、能量密度(2600 Wh Kg~(-1)),被认为是最可能替代锂离子电池的二次电池。但由于正极硫的导电性较差、充放电过程中的体积变化较大、穿梭效应等,使得锂硫电池的循环稳定性与倍率性能都较差,因此现在可商业化的锂硫电池极少。为改善锂硫电池的性能,本论文旨在寻找一种可有效阻碍多硫化锂穿梭至负极的导电材料并用于隔膜改性,从而抑制穿梭效应,提升活性物质硫的利用率。锂硫电池的电化学性能得到了很大的提升。具体工作如下:1.采用了直接氢氟酸刻蚀、氟盐加酸原位剥离两种不同方法合成MXene(Ti_3C_2)纳米片,并对所制得的纳米片进行了多项表征,主要研究结果为:HF刻蚀法制得的MXene纳米片尺寸较小、片层较厚,成膜性较差,产率相对较低,过程较复杂。氟盐加酸原位剥离法,操作简单,合成时间较短,毒性较低,产率较高,可达到75%,合成的单片层MXene纳米片达到了微米级,成膜性很好,可较好的形成超薄膜。同时制得的MXene纳米片表面存在着丰富的-OH、=O等基团,纳米片上Ti、C、F、O等元素均匀分布。2.利用简单的真空抽滤的方法在商业化PP隔膜上负载一层轻薄的MXene层,该层厚度仅350 nm,载量为0.075 mg cm~(-2)。作为锂硫电池的改性隔膜(MXene@PP),MXene@PP隔膜既具有较好的稳定性,可改善隔膜对电解液的亲和度,也能抑制穿梭效应,提升活性物质硫的利用率。改性隔膜电池也表现出不亚于PP隔膜电池的锂离子导电性,说明较薄的修饰层并未影响锂离子的传输。结果表明,0.2 C下,首次放电比容量为1146 mA h g~(-1),100次循环后的可逆容量为554 mA h g~(-1)。1 C下首次放电比容量为844 mA h g~(-1),500次循环过程中平均每圈衰减率仅为0.079%。自放电测试中,经过72 h搁置,放电比容量衰减率为8.3%,小于PP隔膜组装电池自放电后的容量衰减率(13.65%)。
【图文】：

示意图,正极,碳纳米管,示意图

第一章绪论形成限域作用，较好的抑制了多硫化锂穿梭至负极。因此，在该研究中电池展现出良好的倍率性能和循环稳定性。Xiong 和他的同事们[30]制备了一种微孔-介孔-碳纳米管/硫正极电池。介孔可以存储过量的PS以及提高Li+的传输能力，微孔结构可以抑制穿梭效应，提升活性物质硫的利用率。不仅可以促进充放电过程中电子和离子的传输，，也可以有效的抑制 PS 的穿梭。更重要的是，正极的内空腔可以容纳更多的硫，缓解充放电过程中的体积变化。即使是在 1600 mA g-1的电流密度下，在 150 个循环中，电池单次循环衰减率只有约 0.13%。

透射电镜,石墨,扫描电镜图,透射电镜

400 次循环过程中，平均每圈容量衰减率为 0.05%。Yang 和同事们[34]制备种碳基三明治结构的材料作为硫正极。这个三明治结构包括石墨烯层和两层氮掺杂碳。设计的三明治结构正极可以存储大量的硫，化学吸附多硫化锂在氮掺杂的多孔上。与此同时，该材料具有较高的比表面积（~2677 m2g-1）和孔隙体积（~1.8 cm3g-1）有利于存储大量的 PS，尤其有利于容纳体积变化。Li 的团队[35]制备了一种具有全烯层次结构的锂硫电池正极，由三层组成，包括高导电性石墨烯层（作为集流体）孔石墨烯层（用于限制硫的体积膨胀），以及部分氧化石墨烯层（用于抑制 PS 的）。高导电性石墨烯层提供高效的电子传输通道并且避免了金属集流体的腐蚀和溶解孔石墨烯拥有 3.51 cm3g-1的孔体积，可负载高达 80 wt%的硫。部分氧化石墨烯带量的含氧官能团，用来作为 PS 吸附层，可以有效抑制“穿梭效应”。因此，带有墨烯正极结构的电池的初始容量很高，可达到 1500 mA h g-1，且循环性稳定性很好体表现为 400 次循环以后，面积容量依然高达 4.2 mA h cm-2。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1;TM912

【参考文献】