生物质炭材料改性隔膜的制备及其在锂硫电池中的应用

发布时间：2020-05-31 03:13

【摘要】：近年来随着新能源汽车以及更多电子设备的发展,锂离子电池的容量即使达到理论值,也无法满足这些电子设备对于能源的迫切需求,所以科研工作者们正在努力寻求和研发具有更高能量密度和更长循环寿命的电池体系。锂硫电池正极采用单质硫与导电剂的混合物,负极采用金属锂,其不仅具有较高的理论比容(1675mAh g~(-1)),而且具有可观的能量密度(2600 Wh kg~(-1)),所以受到了较为广泛的关注。锂硫电池的广泛实际应用在很大程度上仍受其固有问题的困扰,例如硫和硫化锂的天然绝缘限制了电化学反应期间的电子转移,导致活性材料利用率差,并且溶解的锂多硫化物(LiPS)中间体引起不可逆的“穿梭效应”,以及电池在充放电过程中所产生的体积膨胀问题导致活性物质的脱落而引起较差的循环稳定性能。生物炭一般而言就是从生物材料中发展而来的一种碳基材料。由于来源广泛、价格低廉且具有优异的导电性能而受到人们的关注。对于以上描述的锂硫电池目前所存在的问题,本论文采用不同的生物质炭材料对商业化隔膜进行改性。本论文主要研究内容如下:(1)红薯基生物质炭材料改性锂硫电池隔膜研究。本实验通过水热、冷冻干燥和高温碳化等步骤制备出红薯基生物质炭材料(SP-CA)。将具有SP-CA改性隔膜的电池以及商业化PP隔膜的电池性能进行对比。通过SEM、TEM、BET等方法证实了SP-CA是一种含有介孔的多孔碳材料,所以改性隔膜涂层也是一种疏松多孔的碳层。该涂层不仅有利于正极与隔膜之间的接触,降低界面电阻,同时还可以十分有效的对于聚硫锂形成一定的阻挡作用,减少电池内部的“穿梭效应”。实验结果表明,在0.1C条件下初始放电容量为1216mAh g~(-1),1C放电1000次后可逆放电容量保持在431mAh g~(-1),库仑效率超过95.3%。(2)柚皮基生物质炭材料改性锂硫电池隔膜研究。本实验选用柚皮作为原材料制备出柚皮基生物质炭材料(PPCA)。将PPCA运用到锂硫电池的隔膜改性当中,研究改性隔膜对于电池性能的提升。通过SEM、TEM等方法观察到改性隔膜涂层是一种疏松多孔的碳层。该涂层不仅可以抑制循环过程中多硫化物中间体的“穿梭效应”,降低电池电阻,还可以充当上部集电器以提高硫的利用率。电池在1C倍率下循环500圈后的可逆放电比容量仍然达到457.9mAh g~(-1)。当倍率增大到2C时,电池放电容量依旧保持在644.1mAh g~(-1)。(3)元素掺杂柚皮基生物质炭材料改性锂硫电池隔膜研究。本实验采用浸渍法和高温碳化法将氮元素和硼元素掺杂到柚皮基生物质炭材料的骨架当中。BET测试结果表明掺杂使得材料的比表面积得到了较大的提升,这对于聚硫锂的吸附起到了一定的促进作用。XPS测试显示氮元素与硼元素与碳材料的骨架形成了良好的结合,说明元素掺杂达到了预期的效果。使用掺杂后的碳材料作为改性商业PP隔膜的涂层。该涂层一方面可以通过物理作用吸附聚硫锂,还可以通过化学作用与聚硫锂之间形成一定的化学吸附,更加有效的固定多硫化物,抑制“穿梭效应”的产生。电池在1C倍率下经过500次长时间循环后放电容量由未掺杂前的457.9mAh g~(-1)提升到581.1mAh g~(-1),2C条件下的放电容量也由原来的644.1mAh g~(-1)升高到748.7mAh g~(-1)。
【图文】：

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图 1.1 锂硫电池内部结构示意图.1.1 Internal structure of lithium-sulfur ba理果存在于正极的活性物质硫和负极的锂整个电池内部的氧化还原反应的过程分以单质的形式存在，室温条件下，多且结构十分的丰富。S8是这些不同结构中中，，环状 S8很难一步形成 Li2S，通过个阶段的过程主要是长链硫向短链硫过程中的两个电压平台。首先，存在于

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江苏大学硕士学位论文3V 左右的高压放电平台处，来自负极的 Li+和 S8进行反应，得到物 Li2Sx(4≤x≤8)易于溶解在电池的电解液中。这些长链的反应中间.1V的低压放电平台处，进一步发生反应最终形成不溶于电解液的 Li2S[18]。而锂硫电池的充电过程则是上述反应过程的逆反应。锂硫学反应过程如图 1.2 所示。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.2;TM912

【参考文献】