锂硫电池硫/碳复合正极材料的改性制备及其电化学性能研究
发布时间：2021-01-08 12:24
锂硫电池以单质硫作为正极材料,在理论容量和能量密度方面具有很大的优势,而且单质硫还具有储量丰富、成本低廉、环境友好、安全可靠等优点,所以被认为是下一代极具应用前景的储能系统。然而,锂硫电池在实际应用中还存在许多问题,单质硫和硫化锂是电子/离子绝缘体,硫正极在放电过程中产生体积膨胀,多硫化物易溶于电解液引起穿梭效应,通过改善硫正极的导电性和抑制多硫化物的溶解可以提高锂硫电池的电化学性能。本文主要通过对硫/碳黑复合材料进行高导电碳纤维嵌入、导电聚合物包覆和金属化合物添加改性,以及利用具有特殊结构的生物质碳与单质硫复合制备高性能锂硫电池复合正极材料,具体研究内容和结果如下:（1）采用溶剂分散和熔融渗硫制备桥连结构S@CB/VGCF复合材料。S@CB/VGCF复合材料中硫/碳黑块状聚集物尺寸明显减小,硫充分接触电解液,利用率提高;高导电VGCF嵌入硫/碳黑团簇,连接团簇颗粒,构建高导电网络,提供电子快速传输通道。改性制备的桥连结构S@CB/VGCF电极电化学性能得到明显改善:0.2 C电流密度下首次放电容量达到1062 mAh g-1,200次循环后容量容量保持53.9%;1C电流密度下首次放...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：132 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１不同电化学能量储存体系和转换装置对比图［２６］??
重新受到广泛关注，相关工作得到迅速发展。??典型的锂硫电池体系由单质硫正极、金属锂负极、隔膜以及电解质构成，常??用的电解质一般使用醚类电解液，具体结构如图１．３?ａ所示。这种结构体系的锂??硫电池首次电化学反应为放电过程，锂离子从负极迁移至正极，正极单质硫还原??为Ｌｉ２Ｓ，电子通过外电路传输，产生电能。在后续的充电过程中，锂离子在外加??电压的作用下从正极到负极逆向迁移，正极Ｌｉ２Ｓ重新氧化为单质硫，电能转化??为化学能储存起来［３７］。除此以外，另一种锂硫电池结构体系以Ｌｉ２Ｓ作为正极，??硅、锡、金属氧化物等非锂高容量材料作为负极［１１］。这种结构体系的锂硫电池充??放电机理和单质疏体系类似。ＬｈＳ正极与单质硫正极不同的是，硫首先需要放电??嵌锂，Ｌｉ２Ｓ首先需要充电脱锂，在此过程中Ｌｉ２Ｓ正极存在较高的活化电位，需??要高电压对其进行首次活化。在后续的充放电过程中，Ｌｉ２Ｓ正极和单质硫正极的??反应机理一致??３??
电池总反应：Ｓ?＋?２Ｌｉ〇Ｌｉ２Ｓ?（１－３）??图１．３?ｂ为典型的锂硫电池充放电电压曲线，放电过程有两个明显的放电平??台，而充电过程只有一个明显的充电平台。在锂硫电池充放电过程中，硫正极发??生多步骤多电子氧化还原反应，同时伴随着复杂的多硫化物相变过程，具体的电??化学反应如１－４至１－８方程式所示［２７，４Ｇ］。??Ｓ８（ｓ）?＋?２ｅ－＾?Ｓｇ２＂?（１－４）??３Ｓ８２—＋２ｅ—ｅ４Ｓ６２＿?（１－５）??２Ｓ６２一＋?２ｅ－〇３Ｓ４２＿?（１－６）??Ｓ４２—?＋?４Ｌｉ＋?＋?２ｅ一?〇?２Ｌｉ２Ｓ２（ｓ）?（１－７）??Ｌｉ２Ｓ２（ｓ）?＋?２Ｌｉ＋?＋?２ｅ￣?＾?２Ｌｉ２Ｓ（ｓ）?（１－８）??单质硫正极处于充电状态，锂硫电池首先发生放电反应。根据多硫化物的还??原及相变反应，电池的放电过程可以分为四个阶段以及两个放电平台［３９，４１］。第??一阶段为固－液两相反应，对应电化学反应方程式１－４，固态硫还原为长链Ｌｉ２Ｓ８，??溶于电解液，和放电曲线中Ｉ区间的放电平台相对应，放电电压在２．４?Ｖ左右。??第二阶段为液－液转化反应
【参考文献】：
期刊论文
[1]Natural nitrogen-doped multiporous carbon from biological cells as sulfur stabilizers for lithium-sulfur batteries[J]. Yan-Ping Xie,Hong-Wei Cheng,Wei Chai,Hong Yue,Xuan Zhang,Jian-Hui Fang,Hong-Bin Zhao,Jia-Qiang Xu. Chinese Chemical Letters. 2017(04)
本文编号：2964590
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：132 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１不同电化学能量储存体系和转换装置对比图［２６］??
重新受到广泛关注，相关工作得到迅速发展。??典型的锂硫电池体系由单质硫正极、金属锂负极、隔膜以及电解质构成，常??用的电解质一般使用醚类电解液，具体结构如图１．３?ａ所示。这种结构体系的锂??硫电池首次电化学反应为放电过程，锂离子从负极迁移至正极，正极单质硫还原??为Ｌｉ２Ｓ，电子通过外电路传输，产生电能。在后续的充电过程中，锂离子在外加??电压的作用下从正极到负极逆向迁移，正极Ｌｉ２Ｓ重新氧化为单质硫，电能转化??为化学能储存起来［３７］。除此以外，另一种锂硫电池结构体系以Ｌｉ２Ｓ作为正极，??硅、锡、金属氧化物等非锂高容量材料作为负极［１１］。这种结构体系的锂硫电池充??放电机理和单质疏体系类似。ＬｈＳ正极与单质硫正极不同的是，硫首先需要放电??嵌锂，Ｌｉ２Ｓ首先需要充电脱锂，在此过程中Ｌｉ２Ｓ正极存在较高的活化电位，需??要高电压对其进行首次活化。在后续的充放电过程中，Ｌｉ２Ｓ正极和单质硫正极的??反应机理一致??３??
电池总反应：Ｓ?＋?２Ｌｉ〇Ｌｉ２Ｓ?（１－３）??图１．３?ｂ为典型的锂硫电池充放电电压曲线，放电过程有两个明显的放电平??台，而充电过程只有一个明显的充电平台。在锂硫电池充放电过程中，硫正极发??生多步骤多电子氧化还原反应，同时伴随着复杂的多硫化物相变过程，具体的电??化学反应如１－４至１－８方程式所示［２７，４Ｇ］。??Ｓ８（ｓ）?＋?２ｅ－＾?Ｓｇ２＂?（１－４）??３Ｓ８２—＋２ｅ—ｅ４Ｓ６２＿?（１－５）??２Ｓ６２一＋?２ｅ－〇３Ｓ４２＿?（１－６）??Ｓ４２—?＋?４Ｌｉ＋?＋?２ｅ一?〇?２Ｌｉ２Ｓ２（ｓ）?（１－７）??Ｌｉ２Ｓ２（ｓ）?＋?２Ｌｉ＋?＋?２ｅ￣?＾?２Ｌｉ２Ｓ（ｓ）?（１－８）??单质硫正极处于充电状态，锂硫电池首先发生放电反应。根据多硫化物的还??原及相变反应，电池的放电过程可以分为四个阶段以及两个放电平台［３９，４１］。第??一阶段为固－液两相反应，对应电化学反应方程式１－４，固态硫还原为长链Ｌｉ２Ｓ８，??溶于电解液，和放电曲线中Ｉ区间的放电平台相对应，放电电压在２．４?Ｖ左右。??第二阶段为液－液转化反应
【参考文献】：
期刊论文
[1]Natural nitrogen-doped multiporous carbon from biological cells as sulfur stabilizers for lithium-sulfur batteries[J]. Yan-Ping Xie,Hong-Wei Cheng,Wei Chai,Hong Yue,Xuan Zhang,Jian-Hui Fang,Hong-Bin Zhao,Jia-Qiang Xu. Chinese Chemical Letters. 2017(04)
本文编号：2964590
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