氮掺杂多级孔碳材料的合成及其在锂硫电池中的应用

发布时间：2020-06-18 21:07

【摘要】：锂硫电池中单质硫正极材料,理论比容量可达1675 mAh g~(-1),而且硫具有资源丰富、价格低廉、环境友好等优点,因此锂硫电池被认为是一种极具应用前景的高能量密度二次电池。然而,硫及还原产物硫化锂(Li_2S)的绝缘性、多硫化物在电解液中溶解引起的“穿梭效应”以及充放电过程中硫正极体积变化大等缺点,严重影响锂硫电池的循环性能,限制其实际应用。通过对作为硫载体的碳材料进行结构设计和表面改性,是改善锂硫电池电化学性能的最主要手段。包含微孔、介孔甚至大孔结构的碳材料可望兼具高比表面积和大孔容的特点,能够实现对单质硫的高效负载;而且,对碳材料进行氮掺杂,不仅能改善其导电性,还能赋予其表面极性,从而通过强烈的化学吸附,抑制多硫化物的溶解损失。本论文制备了两种氮掺杂的多级孔碳材料,并研究了相应的硫/碳复合物正极材料的电化学性能。主要研究内容和结果如下:1、通过软模板法合成有序介孔碳(OMC),并在氨气氛围下进行活化处理,获得了兼具高比表面积、大孔容和高含氮量的多级孔碳材料(NOMC)。系统研究了氨气活化温度(700°C-1000°C)和活化时间(1 h-15 h)对碳材料结构和化学组成的影响。典型NOMC材料的比表面积和孔容分别为1565 m~2 g~(-1)和0.88 cm~3g~(-1),氮含量达4.4 wt%。将NOMC与硫复合获得锂硫电池正极材料后,电化学测试表明,在335 mA g~(-1)电流密度下,首圈放电容量可达1095 mAh g~(-1),循环100圈后剩余容量为708 mAh g~(-1),容量保持率达65%。该电极材料良好的循环稳定性应得益于硫载体碳材料的多级孔结构和氮掺杂,从而赋予材料良好的物理、化学吸附特性,有效抑制了多硫化物的“穿梭效应”。2、发展了一种可大量合成具有“管中管”复杂多级结构中空碳材料(MWNT-HC)的方法。该方法以正硅酸四乙酯(TEOS)为致孔剂前体,间苯二酚/甲醛(RF)树脂为碳源,通过调控二者在溶胶-凝胶过程中聚合速率,将SiO_2和RF先后包覆在多壁碳纳米管表面,经过热解碳化并蚀除SiO_2后,最终获得碳纳米管/中空多孔碳材料。典型材料MWNT-HC比表面积为967 m~2 g~(-1),孔容为1.93 cm~3 g~(-1),通过后处理法对MWNT-HC进行氮掺杂,氮含量由1.2 wt%提升至4.2 wt%。将MWNT-HC与硫复合获得锂硫电池正极材料后,电化学测试表明,在335 mA g~(-1)电流密度下,首圈放电容量可达1272 mAh g~(-1),循环50圈后容量仍可保持为924 mAh g~(-1)。该氮掺杂中空碳材料不仅易于合成,而且具有高比表面积、大孔容的结构特点,还可望用于超级电容器和燃料电池等其它储能器件。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O613.71;TB383.4;TM912
【图文】：

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随着新能源的快速发展，包括军事电源、民用运输和固定存储个领域对电池的能量密度提出了更高的要求，使锂硫电池的研究再度兴2-34]。锂硫电池具有 2600 Wh kg 1极高的理论能量密度（单质硫作为正极材料属锂作为负极），比商业锂电池的高出几倍(LiCoO2/C 电池 387 Wh kg 1)[29, 34-使锂硫电池的实际电池体系能量密度能够达到理论能量密度的 20%，其能度也将达到 520 Wh kg 1。据报道，现今封装式锂硫电池的实际能量密度可 400-600 Wh kg 1(比商业锂电池高 2~3 倍)，已经能够满足电动汽车行驶 5里距离的要求[29, 34]。如果能实现长周期循环，那么锂硫电池也能实现对可能源的储存，如太阳能、水能和风能[29, 33]。自 2009 年以来，随着 Nazar 等道了锂硫电池性能的提高，锂硫电池越来越受到人们的关注，研究者致力硫电池的核心技术，期望取得重大突破[38]。1.2.1 锂硫电池的结构及工作原理

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5图 1-2 锂硫电池穿梭效应原理示意图[50]者近些年对锂硫电池研究的加深[53]，针对以上这些对锂硫电池进行改进：极结构的优化。对硫正极材料的改进是科研工作者

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