导电聚合物改性钛基化合物复合材料制备及电化学行为研究

发布时间：2020-09-14 12:57

　　电能储存对于可再生能源的高效率利用来说至关重要,正成为当今研究的一个热点。新能源车辆也需要先进的电能储存技术来提供高能量供应和高功率密度。而锂离子电池提供已知电池中最高的能量密度系统,并被认为是近期解决这些应用问题最可行的途径。尽管在便携式电子产品普及度很高,但是其存储装置存在诸如存电时间,成本,安全等诸多问题阻碍了大尺寸锂离子电池的实际应用。锂硫电池是基于硫为正极的高比能量的新一代电池系统,其活性物质硫的理论比容量高达1675mAh/g,理论比能量近于2600wh/kg。到现在为止,锂硫电池尚处于实验室初始研究阶段,可以得到的能量密度还远低于理论值,并且锂硫电池的正极材料的活性物质硫本身属于绝缘物质电导率低、充放电过程中体积变化等问题,使得电化学性能不如人意,限制了其大规模工业生产。本文针对这些问题,我们展示了一种方便的方法通过原位氧化聚合的方法来沉积Ti基金属氧化物上的PEDOT纳米粒子,来实现有利的表面改性。相比于Ti基金属氧化物/硫和PEDOT/硫,三元PEDOT/Ti基金属氧化物/硫表现出更好的循环稳定性和循环效率。通过分析卓越的电化学PEDOT/Ti基金属氧化物/硫正极的性能归因于由Ti基金属氧化物纳米颗粒和高导电性的PEDOT形成强烈的化学吸引力吸附多硫化物。我们此处制备的PEDOT/TiO_2纳米复合材料(NCs)提供了一个二合一的方法改善硫基正极的电化学性能,并验证了有潜力的高性能锂硫电池的可行性。目前,如果从原理分析的话,主要的原因在于充放电过程中多硫化物的迁移和沉积导致的穿梭效应。本文主要根据锂硫电池存在的这些问题,着手在正极材料单质硫的宿主材料方面进行了研究。我们分别探索尝试了PEDOT/S,TiO_2/S,Ti_4O_7/S,PEDOT/TiO_2/S,PEDOT/Ti_4O_7/S电极材料,目的在于寻找一种十分合适的正极材料来提高硫正极的导电性并且抑制充放电过程中因多硫化物的迁移引起的穿梭效应。将PEDOT/TiO_2纳米材料作为硫的载体,从而进一步改性锂硫电池的正极,提高锂硫电池的性能。但是由于TiO_2是不导电的,因此我们猜想可能这种绝缘性会一定程度限制锂硫电池的性能,进过查阅文献以及借鉴课题组的相关经验,我们研制出了导电的Ti_4O_7纳米棒进而将其和PEDOT复合,得到复合材料PEDOT/Ti_4O_7,应用到正极材料中取得了预期的效果。主要的研究内容如下:(1)采用原位氧化聚合的方法制备出了PEDOT/TiO_2的纳米颗粒,然后采用在155℃下热熔融的方法与单质硫进行复合制备PEDOT/TiO_2/S复合正极材料。通过XPS实验验证得知二氧化钛与多硫化物之间会形成化学键,从而产生化学键合的作用,这可以降低充放电过程中因多硫化物迁移而引起的穿梭效应。通过CV和阻抗的测试分析得知,PEDOT能够提高正极材料的导电性,从而降低电池的电荷转移电阻,有利于促进电化学反应的进行和提升锂硫电池的电化学性能。在1C电流密度下充放电循环500圈,还剩余532.1mAh/g的可逆比容量。(2)本文采用的是氢气还原的方法制备了Ti_4O_7纳米颗粒,然后采用原位氧化聚合的方法和升华硫进行复合制备出了PEDOT/Ti_4O_7的复合材料,接着同样采用热熔融的方法制得PEDOT/Ti_4O_7/S的复合正极材料。与PEDOT/S,纯Ti_4O_7/S电极相比,PEDOT/Ti_4O_7/S的复合正极材料在循环和倍率性能方面均得到了比较大的提升。在1 C电流密度下充放电循环500次,还剩余566.1 mAh/g的可逆比容量;在4 C高倍率放电下,放电比容量还是达到了416.8mAh/g。
【学位单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM912;TB33
【部分图文】：

电池,工作原理图,工作原理

导电聚合物改性 TinO2n-1复合材料制备及电化学行为研究2.1 锂硫电池的工作原理锂硫电池的工作原理和锂离子电池的工作原理还是有比较大的区别。锂离池因为其在充放电的过程中是通过嵌入和脱出进行工作，因此其能量密度都定在 140 Wh/kg 以内，已经很难满足人们日益增长的能量需求。而锂硫电通过硫-硫键的生成和断裂产生能量，具体的工作原理如图 1.1 所示。

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图 1.2 锂硫电池充放电曲线示意图 Fig. 1.2 Discharge and charge curve of lithium sulfur battery硫电池研究中遇到的问题前来看，锂硫电池具有相当大的优势和应用前景，但是却无法实现模生产，通过分析可能有如下几点原因：. 锂硫电池中正极材料的活性物质硫单质是属于绝缘体，电导率学过程中产生的 Li2S2和 Li2S 也是不导电的。因此要解决低导电率加入一定的导电材料来增强正极电极的导电性。. 在充放电过程中，单质的硫会发生物理化学中的相转换，在此过会发生膨胀和收缩，这种体积变化会导致正极材料结构被破坏硫电池差的循环稳定性。

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图 1.3 锂硫电池中发生的穿梭机制 stration of the shuttle mechanism occurring in a L内外研究进展能源的衰竭以及其过度的使用带来的一源的使用。锂硫电池凭借着廉价、无毒人们的视野，并且在关键的难点上取得论文。针对以上发现的锂硫电池中存在从事正极改性，或者从事负极改性，从性

【参考文献】