二硫化钼基锂硫电池正极材料的制备及性能研究
发布时间：2021-01-24 12:14
锂硫电池的理论比能量（2600Wh/kg）高,是目前商业化锂离子电池的3～5倍,且相比锂-空气电池,其更具实用化的可能,但目前依然存在正极材料导电性差、穿梭效应等问题,阻碍了其商业化。MoS2是典型的层状过渡金属硫化物,含有金属-硫键,可以与多硫化物通过静电作用或化学键的作用结合起来,在一定程度上起到固定聚硫基团防止其溶解的作用,从而抑制穿梭效应。所以将硫与MoS2和碳材料结合作为锂硫电池正极活性材料不仅能提高材料的导电性,也能抑制穿梭效应,成为当前锂硫电池的研究热点。本文将类石墨烯二维层状MoS2和三维蜂窝状MoS2纳米材料应用在锂硫电池正极材料中,采用球磨法、传统水热法和管式炉法成功制备了类石榴状硫/炭黑/MoS2复合材料和蜂窝状硫/炭黑/MoS2复合材料。通过SEM、XRD等测试手段,对样品的微观形貌和晶型结构进行了表征,采用充放电测试和循环伏安测试等测试方法对材料的电化学性能进行了研究,探讨了不同组分和形貌对电化学性能的影响。（1）以硫为基体,通过...
【文章来源】：西安建筑科技大学陕西省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Li-S电池结构示意图[11]
西安建筑科技大学硕士学位论文3图1.1Li-S电池结构示意图[11]Fig1.1SchematicdiagramofLi-Sbattery[11].锂硫电池具有较高的理论比容量(1675mA﹒h/g)，而且正极材料硫的分子量小[16-17]，因此锂硫电池的理论质量比能量和体积比能量高，可以满足大型设备的需求，它目前在理论上是可以用于电动汽车、航天器等高尖端储能技术领域的一种理想储能材料和设备[18]。另一方面，锂硫二次电池的商业化发展在化石电能的储存应用方面仍然具有很好的商业应用发展前景，对于减少化石生物燃料的商业化使用及对环境的保护具有重要的指导意义。图1.2Li-S电池工作原理示意图[12]Fig1.2VoltageprofilesofaLi-Sbattery[12].1.3锂硫电池正极材料的研究现状锂硫电池的研发思路源于1962年Herbert等[19]首先提出采用硫作为电池正极的想法；美国通用汽车公司在1964年也提出以硫或其化合物为正极材料的研发思路[20]。1976年Whittingham等[21]已经研发出了以锂为负极、硫化物为正极的二
西安建筑科技大学硕士学位论文8生一定的交联作用，在改善锂硫电池循环性能方面，这种交联作用比物理作用效果更好。图1.3硫-聚苯胺纳米管复合物（SPANI-NT/S）的合成与充电过程[60]Fig1.3Schemeofthesynthesisanddischarge/chargeprocessoftheSPANI-NT/S[60].利用化学原理来抑制穿梭效应以提高电池循环性能的思路受到越来越多的关注。但是在目前的研究中，大部分聚合物很难与多硫离子形成稳定的化学作用，进而有效地提高电池的循环性能[63-64]。而且聚合物分子结构复杂，其与硫及其硫化合物之间的相互作用机理理论还不够成熟，不能很好地指导大规模生产并实现商业化，这成为聚合物在锂硫电池中应用所面临的主要问题。1.3.3硫-金属氧化物复合金属氧化物和硫化物由于表面具有较多的极性键，可以吸附充放电过程中产生的部分多硫化锂，降低其在溶液中的溶解度；另外，金属氧化物可以形成3D形态纳米级结构，有助于多硫化物之间的相互转化，对主体材料与多硫化物之间的结合发挥着关键作用，在锂硫电池正极材料的改性方面有广泛的应用[65-66]。李[67]以介孔MoO2为基体材料，通过加热MoO2与硫的混合材料制备了介孔MoO2/S复合材料，通过氧化物与多硫化物之间的键合作用来抑制材料的溶解，利用MoO2的介孔结构和良好的电子导电性以提高硫的负载率，从而改进锂硫电池的循环可逆性。Liang等[68]提出了一种采用湿化学合成方法在硫材料表层构筑氧化物核壳结构的思路，通过KMnO4与硫的反应，在氧化过程中将MnO2层原位包覆于硫材料外层，在2C倍率1700次循环下其单次循环容量衰减仅为0.039%；此外，直接氧化的微米尺寸的升华硫，也能稳定循环800次。但由于其核内材料
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属氧化物用于锂硫电池硫正极材料改性的研究进展[J]. 惠鹏,杨蓉,邓七九,燕映霖,许云华. 化学通报. 2019(11)
[2]过渡金属硫化物改性锂硫电池正极材料[J]. 樊潮江,燕映霖,陈利萍,陈世煜,蔺佳明,杨蓉. 化学进展. 2019(08)
[3]碳基/硫复合材料用于锂-硫电池正极的研究[J]. 柳孟兰. 化工技术与开发. 2019(05)
[4]碳微球的制备及应用研究进展[J]. 许可,曾丹林. 应用化工. 2018(11)
[5]Core-shell structured MoS2@S spherical cathode with improved electrochemical performance for lithium-sulfur batteries[J]. Songpu Cheng,Xiaohong Xia,Hongbo Liu,Yuxi Chen. Journal of Materials Science & Technology. 2018(10)
[6]锂硫电池正极硫炭复合材料的制备及性能研究[J]. 杨胜杰,张晓丽,路永广. 电源技术. 2018(07)
[7]二硫化钼包覆聚丙烯隔膜在锂硫电池中的应用[J]. 许庆凯,田少康,李陶然,王志群,李磊. 功能高分子学报. 2018(05)
[8]锂硫电池硫正极材料研究进展[J]. 陈子冲,方如意,梁初,甘永平,张文魁. 材料导报. 2018(09)
[9]共轭纳米孔聚合物在锂硫电池中的应用[J]. 徐飞,杨书浩,刘千惠,李贺军,魏秉庆,王洪强. 功能高分子学报. 2018(04)
[10]锂硫电池正极材料研究进展[J]. 郑智慧,谷峰,赵晓琳,王有伟,高彦峰,刘建军. 化学通报. 2018(02)
博士论文
[1]硫/多孔碳复合正极材料的制备及电化学性能研究[D]. 龚志杰.浙江大学 2016
[2]石墨烯和过渡金属硫化物结构设计与应用的理论研究[D]. 赵文.清华大学 2015
[3]二硫化钼纳米片（管）及其复合物的制备和性能研究[D]. 刘文宏.合肥工业大学 2015
[4]锂硫电池硫正极材料的设计、制备及性能研究[D]. 孙福根.华东理工大学 2014
[5]二次锂电池用硫基复合正极材料的研究[D]. 尹利超.上海交通大学 2012
[6]球磨法用于制备纳米功能材料[D]. 陶涛.中南大学 2011
硕士论文
[1]钐钇修饰炭气凝胶基硫电极的制备及锂硫电池性能的研究[D]. 丁中强.合肥工业大学 2018
[2]石墨烯基三元正极材料的制备及其电化学性能研究[D]. 韩乃旺.沈阳理工大学 2017
[3]隔膜上改性多壁碳纳米管涂层对锂—硫电池性能的影响研究[D]. 程兴.北京化工大学 2016
[4]二硫化钼/碳化钼纳米复合结构的制备及其光辅助电催化析氢性能研究[D]. 张凯.哈尔滨工程大学 2016
[5]磷酸铁锂正极材料的制备、改性及其电化学储锂性能的研究[D]. 葛其胜.中国计量学院 2015
[6]锂硫电池硫/碳复合正极材料的研究[D]. 李振华.哈尔滨工业大学 2014
[7]导电MoO2在高功率电容器和高容量锂硫电池中的应用研究[D]. 李心勇.苏州大学 2014
[8]过渡金属硫化物（MoS2，CoS2）的合成与电化学性能研究[D]. 邱彬.北京工业大学 2013
[9]不同形态的碳在锂硫电池正极材料中的应用[D]. 杨晓娇.山西师范大学 2013
[10]炭黑的表面化学改性研究[D]. 邹薇.南京理工大学 2005
本文编号：2997228
【文章来源】：西安建筑科技大学陕西省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Li-S电池结构示意图[11]
西安建筑科技大学硕士学位论文3图1.1Li-S电池结构示意图[11]Fig1.1SchematicdiagramofLi-Sbattery[11].锂硫电池具有较高的理论比容量(1675mA﹒h/g)，而且正极材料硫的分子量小[16-17]，因此锂硫电池的理论质量比能量和体积比能量高，可以满足大型设备的需求，它目前在理论上是可以用于电动汽车、航天器等高尖端储能技术领域的一种理想储能材料和设备[18]。另一方面，锂硫二次电池的商业化发展在化石电能的储存应用方面仍然具有很好的商业应用发展前景，对于减少化石生物燃料的商业化使用及对环境的保护具有重要的指导意义。图1.2Li-S电池工作原理示意图[12]Fig1.2VoltageprofilesofaLi-Sbattery[12].1.3锂硫电池正极材料的研究现状锂硫电池的研发思路源于1962年Herbert等[19]首先提出采用硫作为电池正极的想法；美国通用汽车公司在1964年也提出以硫或其化合物为正极材料的研发思路[20]。1976年Whittingham等[21]已经研发出了以锂为负极、硫化物为正极的二
西安建筑科技大学硕士学位论文8生一定的交联作用，在改善锂硫电池循环性能方面，这种交联作用比物理作用效果更好。图1.3硫-聚苯胺纳米管复合物（SPANI-NT/S）的合成与充电过程[60]Fig1.3Schemeofthesynthesisanddischarge/chargeprocessoftheSPANI-NT/S[60].利用化学原理来抑制穿梭效应以提高电池循环性能的思路受到越来越多的关注。但是在目前的研究中，大部分聚合物很难与多硫离子形成稳定的化学作用，进而有效地提高电池的循环性能[63-64]。而且聚合物分子结构复杂，其与硫及其硫化合物之间的相互作用机理理论还不够成熟，不能很好地指导大规模生产并实现商业化，这成为聚合物在锂硫电池中应用所面临的主要问题。1.3.3硫-金属氧化物复合金属氧化物和硫化物由于表面具有较多的极性键，可以吸附充放电过程中产生的部分多硫化锂，降低其在溶液中的溶解度；另外，金属氧化物可以形成3D形态纳米级结构，有助于多硫化物之间的相互转化，对主体材料与多硫化物之间的结合发挥着关键作用，在锂硫电池正极材料的改性方面有广泛的应用[65-66]。李[67]以介孔MoO2为基体材料，通过加热MoO2与硫的混合材料制备了介孔MoO2/S复合材料，通过氧化物与多硫化物之间的键合作用来抑制材料的溶解，利用MoO2的介孔结构和良好的电子导电性以提高硫的负载率，从而改进锂硫电池的循环可逆性。Liang等[68]提出了一种采用湿化学合成方法在硫材料表层构筑氧化物核壳结构的思路，通过KMnO4与硫的反应，在氧化过程中将MnO2层原位包覆于硫材料外层，在2C倍率1700次循环下其单次循环容量衰减仅为0.039%；此外，直接氧化的微米尺寸的升华硫，也能稳定循环800次。但由于其核内材料
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属氧化物用于锂硫电池硫正极材料改性的研究进展[J]. 惠鹏,杨蓉,邓七九,燕映霖,许云华. 化学通报. 2019(11)
[2]过渡金属硫化物改性锂硫电池正极材料[J]. 樊潮江,燕映霖,陈利萍,陈世煜,蔺佳明,杨蓉. 化学进展. 2019(08)
[3]碳基/硫复合材料用于锂-硫电池正极的研究[J]. 柳孟兰. 化工技术与开发. 2019(05)
[4]碳微球的制备及应用研究进展[J]. 许可,曾丹林. 应用化工. 2018(11)
[5]Core-shell structured MoS2@S spherical cathode with improved electrochemical performance for lithium-sulfur batteries[J]. Songpu Cheng,Xiaohong Xia,Hongbo Liu,Yuxi Chen. Journal of Materials Science & Technology. 2018(10)
[6]锂硫电池正极硫炭复合材料的制备及性能研究[J]. 杨胜杰,张晓丽,路永广. 电源技术. 2018(07)
[7]二硫化钼包覆聚丙烯隔膜在锂硫电池中的应用[J]. 许庆凯,田少康,李陶然,王志群,李磊. 功能高分子学报. 2018(05)
[8]锂硫电池硫正极材料研究进展[J]. 陈子冲,方如意,梁初,甘永平,张文魁. 材料导报. 2018(09)
[9]共轭纳米孔聚合物在锂硫电池中的应用[J]. 徐飞,杨书浩,刘千惠,李贺军,魏秉庆,王洪强. 功能高分子学报. 2018(04)
[10]锂硫电池正极材料研究进展[J]. 郑智慧,谷峰,赵晓琳,王有伟,高彦峰,刘建军. 化学通报. 2018(02)
博士论文
[1]硫/多孔碳复合正极材料的制备及电化学性能研究[D]. 龚志杰.浙江大学 2016
[2]石墨烯和过渡金属硫化物结构设计与应用的理论研究[D]. 赵文.清华大学 2015
[3]二硫化钼纳米片（管）及其复合物的制备和性能研究[D]. 刘文宏.合肥工业大学 2015
[4]锂硫电池硫正极材料的设计、制备及性能研究[D]. 孙福根.华东理工大学 2014
[5]二次锂电池用硫基复合正极材料的研究[D]. 尹利超.上海交通大学 2012
[6]球磨法用于制备纳米功能材料[D]. 陶涛.中南大学 2011
硕士论文
[1]钐钇修饰炭气凝胶基硫电极的制备及锂硫电池性能的研究[D]. 丁中强.合肥工业大学 2018
[2]石墨烯基三元正极材料的制备及其电化学性能研究[D]. 韩乃旺.沈阳理工大学 2017
[3]隔膜上改性多壁碳纳米管涂层对锂—硫电池性能的影响研究[D]. 程兴.北京化工大学 2016
[4]二硫化钼/碳化钼纳米复合结构的制备及其光辅助电催化析氢性能研究[D]. 张凯.哈尔滨工程大学 2016
[5]磷酸铁锂正极材料的制备、改性及其电化学储锂性能的研究[D]. 葛其胜.中国计量学院 2015
[6]锂硫电池硫/碳复合正极材料的研究[D]. 李振华.哈尔滨工业大学 2014
[7]导电MoO2在高功率电容器和高容量锂硫电池中的应用研究[D]. 李心勇.苏州大学 2014
[8]过渡金属硫化物（MoS2，CoS2）的合成与电化学性能研究[D]. 邱彬.北京工业大学 2013
[9]不同形态的碳在锂硫电池正极材料中的应用[D]. 杨晓娇.山西师范大学 2013
[10]炭黑的表面化学改性研究[D]. 邹薇.南京理工大学 2005
本文编号：2997228
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