锂硫电池材料的制备及其物理气相沉积法改性研究

发布时间：2020-08-15 17:40

【摘要】：电子通讯设备和电动交通工具等行业的飞速发展需要高比能、高安全性、成本低廉、环境友好并经久耐用的新型电池。商业化的锂离子电池受正极材料比容量及安全性等因素的限制,难以进一步提高续航能力。锂硫二次电池凭借高达1675mAh/g的理论比容量,以及来源丰富、经济环保等优点,成为新能源领域的研究热点。但是该体系存在导电性差、活性物质利用率低、穿梭效应等缺点,阻碍了其商业化进程。本实验从正极材料成分、“三明治”结构、隔膜等方面对锂硫电池进行改性和机理研究。论文的主要创新之处在于:研究了硬模板法制备介孔碳(MC)时模板剂量对介孔碳及锂硫电池性能的影响;借助TiO_2纳米管(Tnt)和纳米TiO_2颗粒(NT)对正极和隔膜进行改性,提高了循环性能和库伦效率;用物理气相沉积法在正极和碳膜上沉积了金属Al和Ti,改善了正极导电性,制备了“三明治”结构的新型Li-S电池。为提高活性物质利用率,本实验以聚乙烯醇为前驱体碳源,采用硬模板法制备了分层结构的介孔碳,制得三种硫/介孔碳复合正极材料。研究了纳米CaCO_3模板剂与聚乙烯醇的最佳质量比例、介孔碳的造孔机制与Li-S电池性能之间的关系。结果表明,CaCO_3:PVA=1:1.5制备的介孔碳MC2,比表面积为850m~2/g,孔容0.57 cm~3/g,以之为导电载体的S/MC2正极材料电池在0.5C和1C循环倍率下,首次放电比容量分别为1384mAh/g和1258mAh/g,100次循环后分别保有882mAh/g和861mAh/g的可逆比容量,具有良好的容量保持率和循环可逆性。用阳极氧化法制备了TiO_2纳米管,与纳米TiO_2颗粒混合后,对硫/活性炭(S/AC)正极材料进行改性,制备了S/AC/-NT/Tnt正极材料;并用NT/Tnt对传统Celgard2400隔膜(Cel)进行涂覆修饰,制备了改性隔膜Cel-NT/Tnt。S/AC/-NT/Tnt正极材料组装的Li-S电池,0.5C时的初始比容量为1153mAh/g,100周期后保持在846mAh/g;隔膜涂覆NT/Tnt改性后的电池S/AC/(Cel-NT/Tnt)在0.5C和1C时分别获得了1215mAh/g和1035mAh/g的初始放电比容量,100次循环之后的放电比容量分别为899mAh/g和873mAh/g,200次循环之后的库伦效率仍保持在98%以上。用物理气相沉积法,对传统锂硫电池正极等关键材料进行镀膜包覆,提高电导率,实现了循环性能的提高。首先以活性炭作为导电基体制备了硫/活性炭正极复合材料,再用射频磁控溅射技术,将Al和Ti金属分别沉积在硫/活性炭表面,提高硫的导电性,同时Al和Ti的部分颗粒嵌入活性炭材料表面的孔隙,抑制了多硫离子的穿梭效应,改善了电池的循环稳定性和工作寿命。在硫/活性炭正极材料上溅射镀Al后,电化学性能明显提高,在0.5C倍率下,第1次和第100次放电比容量分别为1257mAh/g和977mAh/g,库仑效率始终保持在97%以上。制备了正极-导电碳膜-隔膜的“三明治”结构新型电池材料。用射频磁控溅射法将Al和Ti分别沉积在滤纸表面,通过高温碳化制备出附着Al和Ti金属的复合导电碳膜,置于S/AC正极材料和隔膜之间,得到了S/AC-导电碳膜-隔膜的“三明治”结构新型锂硫电池。Al和Ti薄膜具有优良的电导率和延展性,改善了碳膜夹层的导电性和柔韧性,能缓冲正极材料的体积溶胀。镀Al碳膜夹层结构的电池在0.5C和1C时分别获得了1394mAh/g和1273mAh/g的初始放电比容量,在100次循环后仍有889 mAh/g和924mAh/g的可逆比容量,200次循环之后的库伦效率仍高于98%,穿梭效应得到有效控制,活性物质利用率明显提高。实验表明磁控溅射技术用于锂硫电池材料改性,能够有效提高电池性能。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM912;TB383.1
【图文】：

锂离子电池,结构示意图

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【参考文献】