冬孔碳基复合材料的制备及其在锂硫电池中的应用

发布时间：2020-10-11 19:14

　　 现如今,人们对高能耗应用的先进储能技术有越来越迫切的需求,像电动汽车和智能电网存储系统,已经引起研究者们对传统锂离子化学新电池系统的不断探索。因此,可充电锂金属电池因其在二次电池中具有极高的能量潜力而引起人们的极大兴趣。具有高理论能量密度的锂硫(Li-S)电池已经成为锂基电池的一个很有前途的候选产品。Li-S电池能量密度很高主要是由两个因素决定的。第一,锂金属阳极具有最高的比容量(3860 mAh g~(-1))和最低的电势(-3.04V相对于标准氢电极)相比较于其他固体材料;第二,电池反应过程中,活性物质(S8)涉及多电子氧化还原反应,其理论比容量高达1675 mAhg~(-1),比目前最先进的锂离子电池负极容量高得多。除了高能量密度外,低成本、无毒、丰富的硫磺等诱人的特性也为商业化市场带来了额外的好处。本论文中主要从三元复合材料和多孔碳材料两个方面对锂硫电池展开研究。(1)高能量密度可充电锂硫电池以其成本低、资源丰富、无污染等优点,是一种潜在的化学储能源。在此,我们提出了一种通过NiFe204纳米晶体修饰的石墨烯纳米片(NiFe2O4/graphene)上包覆元素硫的方法来制备纳米片结构的电极。每部分都承担相应的功能,石墨烯纳米片起到导电添加剂的作用,具有较大的比表面积。镶嵌在石墨烯纳米片上的NiFe204纳米晶体对溶解的多硫化物具有吸附性,硫在NiFe2O4/graphene基体表面分布均匀,有利于硫与石墨烯纳米片之间的电子输运。该电极在0.2C电流密度下循环100圈后,获得了 781 mAh g~(-1)的可逆比容量,同时具有较好的倍率性能和库仑效率。(2)在这项工作中,我们已成功地通过简单的炭化方法制备出氮掺杂多孔炭纳米片(NPCN),使用低成本的原料(谷氨酸钠),无需任何活化过程。获得的NPCN-800多孔碳具有特殊的微/介孔结构,具有较高的BET比表面积和合适的氮掺杂量。通过使用制备的NPCN-800作为锂硫电池正极材料固硫的封装器,这种负载了 65.5%硫的碳材料在0.2C电流密度下表现出了 1070 mAh g~(-1)的起始放电容量,经过150圈循环后容量还能保持在680 mAh g~(-1)。此外,在0.5C的电流密度下,当循环次数达到200多圈,容量还可以达到452 mAh g~(-1),库伦效率为98.6%,其优异的电化学性能归因于层状多孔结构(物理吸附)和N掺杂(化学吸附)的协同效应。(3)在此,我们选取鹅毛,作为一种低成本、环保的前驱体,通过与KOH活化的方法来制备片状原位氮掺杂多孔生物碳材料(NPC)。通过活化热解,然后与硫按照不同质量比进行复合,来调节NPC的形貌和微观结构。在850 ℃碳化条件下制备的NPC基体材料具有二维片状多孔结构,高比表面积(3245 m2 g~(-1))和合适的孔径尺寸和孔径分布。将硫包覆到NPC中取决于锂硫电池正极材料的熔融技术,由于特殊的物理结构和N的固有掺杂协同作用,提高了材料中活性硫的利用率和电子离子转移速率,也抑制了可溶性多硫化锂的穿梭行为。因此,NPC:S=1:2复合电极表现出优异的性能,在0.2C时具有较高的初始放电容量799 mAh g~(-1),250次循环后,保持665 mAh g~(-1)的容量。
【学位单位】：浙江师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM912;TB33
【部分图文】：

池的低温性能。??１．２．２锂硫电池充放电原理??一个典型的锂硫电池结构如下图１．１所示，其主要的组成部分同其他电池相??似，包括正极，负极和电解液。其中正极我们大多采用含硫的复合物材料，负极??采用金属锂片，电解液则选用含锂盐溶质的有机溶液。具体的充放电过程是：负??极为锂变为锂离子，正极为硫与锂离子及电子反应生成硫化物，正极和负极的电??２??

图１．２（Ａ）具有微孔介孔结构的碳材料；（Ｂ）不同硫含量的Ｓ／Ｃ复合物的循环性能图。??Ｆｉｇｕｒｅ?１．２（Ａ）?Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｃａｒｂｏｎ?ｍａｔｅｒｉａｌｓ?ｗｉｔｈ?ｂｏｔｈ?ｍｅｓｏｐｏｒｅｓ?ａｎｄ?ｍｉｃｒｏｐｏｒｅｓ?ｆｏｒ?ｓｕｌｆｕｒ?ｈｏｓｔ（Ｂ）?Ｃｙｃｌｉｎｇ?ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ?ｏｆ?Ｓ／Ｃ?ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ?ｗｉｔｈ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｓｕｌｆｕｒ?ｃｏｎｔｅｎｔ．??８??

证明可以通过有效地固硫和提高硫／锂的利用率来使Ｌｉ－Ｓ电池具有更好的循环稳??定性，包括?Ｍｇ〇，ＡＩ２Ｏ３，Ｔｉ〇２，ＣｅＣｈ，ＺｎＯ，ＳｎＣｈ，Ｆｅ３〇４，Ｃ０３Ｏ４，Ｎｂ２〇５，??１＾正￡２０４等（图１．４）。Ｔａｏ等人＿认识到平衡聚硫化物的扩散和表面吸附作用能??够获得更好的电化学性能，于是他们研宄了不同非导电金属氧化物纳米粒子修饰??碳中电化学性能与吸附和扩散的相关性，并针对多硫化物的强相互作用、高比表??面积和良好的表面扩散性能，提出了综合的氧化物选择准则。??１１??
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本文编号：2837006