MOF衍生复合材料的制备及其在锂硫电池中的应用
发布时间：2021-02-16 17:01
随着科技和社会的不断进步,各类电子设备以及动力汽车高速发展,使得人们对储能系统的要求不断提高,同时,不可再生能源的日益枯竭和越来越严峻的环境问题也使得开发一种安全高效的储能系统变得越来越迫切。锂离子电池自商业化以来由于其稳定性好,循环寿命长,便携等优点受到人们的青睐。但是,目前传统的锂离子电池正极材料的理论容量较低且其成本较高,因此其进一步发展受到了限制。近年来,单质硫由于其较高的理论容量和能量密度,资源丰富,环境友好和价格低廉等特点受到人们的广泛关注。然而,将其用于锂硫电池正极材料时仍然面临着很多挑战,例如,活性材料硫与放电终产物Li2S/Li2S2差的导电性,材料密度差引起的循环过程中材料明显的体积变化以及电极中间放电产物多硫化物在正负极之间迁移导致的“穿梭效应”。为了更好地解决以上问题,本文以ZIF-67为前驱体,通过合理设计锂硫电池正极复合材料来有效的改善电池的电化学性能。（1）本文通过简单的室温静置法制备ZIF-67菱形十二面体前驱体,前驱体分散均匀,粒径均一,将ZIF-67前驱体经过进一步的回流和煅烧过程,制...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：98 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂硫电池(a)电极反应示意图(b)充放电曲线[19]
(2)反应中间产物长链多硫化物极易溶解在醚类有机电解液中,因此电池正极会聚集较多的长链多硫化物,形成浓度差,这些多硫化物在浓度梯度驱动下会从电池正极逐渐扩散到金属锂负极,其中一部分与锂金属在负极进一步还原生成短链多硫化物,使得这部分活性物质很难再被利用;另一部分则受电场以及浓度梯度影响,回到正极重新被氧化,从而导致严重的“穿梭效应”。因此正极活性物质不断减少,电池的库伦效率降低,容量衰减严重,同时这些扩散到锂金属负极的多硫化物也容易腐蚀金属锂,导致了电池的自放电现象比较严重。(3)由于单质硫和Li2S的密度不同,因此在反应前后不可避免的会出现体积变化问题,经计算,单质硫在锂化反应之后体积膨胀约为80%。在电池不断地充放电过程中,明显的体积变化导致电极结构的粉碎和坍塌,使电极材料中活性物质发生脱离以及各部分失去接触,电池内阻增大,电池的容量和循环稳定性降低,电池寿命缩短。
Li等人[28]通过自模板方式,以竹叶为原料,经过酸刻蚀和碳化的方法制备出一种多孔碳材料(HPCMs),其合成示意图如图1.4所示。具有三维连通性和纳米级有序结构的竹叶衍生的HPCMs材料导电性高,比表面积大。SiO2NPs衍生出的介孔结构可以为单质硫提供更多的存储空间,HPCMs/S中硫含量高达70.26%。结果表明,HPCMs/S材料在电流密度为1 C时,200圈循环后容量仍然能保持707 mAh g-1。Jayaprakash等人[29]通过简便方法合成介孔中空碳胶囊,并将单质硫包裹在介孔中空碳胶囊的内部。这种碳胶囊可以抑制多硫化物的穿梭效应,多孔的外壳有利于电子的良好输运和单质硫的顺利进入,制备的C@S纳米胶囊在低、高电流密度下均表现出良好的电化学性能。(2)碳纳米管/纤维-硫复合材料
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于荧光金属有机框架的化学检测器研究进展（英文）[J]. 何杰,徐加良,尹佳成,李娜,卜显和. Science China Materials. 2019(11)
[2]A nanoporous nitrogen-doped graphene for high performance lithium sulfur batteries[J]. Shuang-Ke Liu,Xiao-Bin Hong,Yu-Jie Li,Jing Xu,Chun-Man Zheng,Kai Xie. Chinese Chemical Letters. 2017(02)
[3]Li-S电池硫正极性能衰减机理分析及研究现状概述[J]. 刁岩,谢凯,洪晓斌,熊仕昭. 化学学报. 2013(04)
本文编号：3036652
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：98 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂硫电池(a)电极反应示意图(b)充放电曲线[19]
(2)反应中间产物长链多硫化物极易溶解在醚类有机电解液中,因此电池正极会聚集较多的长链多硫化物,形成浓度差,这些多硫化物在浓度梯度驱动下会从电池正极逐渐扩散到金属锂负极,其中一部分与锂金属在负极进一步还原生成短链多硫化物,使得这部分活性物质很难再被利用;另一部分则受电场以及浓度梯度影响,回到正极重新被氧化,从而导致严重的“穿梭效应”。因此正极活性物质不断减少,电池的库伦效率降低,容量衰减严重,同时这些扩散到锂金属负极的多硫化物也容易腐蚀金属锂,导致了电池的自放电现象比较严重。(3)由于单质硫和Li2S的密度不同,因此在反应前后不可避免的会出现体积变化问题,经计算,单质硫在锂化反应之后体积膨胀约为80%。在电池不断地充放电过程中,明显的体积变化导致电极结构的粉碎和坍塌,使电极材料中活性物质发生脱离以及各部分失去接触,电池内阻增大,电池的容量和循环稳定性降低,电池寿命缩短。
Li等人[28]通过自模板方式,以竹叶为原料,经过酸刻蚀和碳化的方法制备出一种多孔碳材料(HPCMs),其合成示意图如图1.4所示。具有三维连通性和纳米级有序结构的竹叶衍生的HPCMs材料导电性高,比表面积大。SiO2NPs衍生出的介孔结构可以为单质硫提供更多的存储空间,HPCMs/S中硫含量高达70.26%。结果表明,HPCMs/S材料在电流密度为1 C时,200圈循环后容量仍然能保持707 mAh g-1。Jayaprakash等人[29]通过简便方法合成介孔中空碳胶囊,并将单质硫包裹在介孔中空碳胶囊的内部。这种碳胶囊可以抑制多硫化物的穿梭效应,多孔的外壳有利于电子的良好输运和单质硫的顺利进入,制备的C@S纳米胶囊在低、高电流密度下均表现出良好的电化学性能。(2)碳纳米管/纤维-硫复合材料
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于荧光金属有机框架的化学检测器研究进展（英文）[J]. 何杰,徐加良,尹佳成,李娜,卜显和. Science China Materials. 2019(11)
[2]A nanoporous nitrogen-doped graphene for high performance lithium sulfur batteries[J]. Shuang-Ke Liu,Xiao-Bin Hong,Yu-Jie Li,Jing Xu,Chun-Man Zheng,Kai Xie. Chinese Chemical Letters. 2017(02)
[3]Li-S电池硫正极性能衰减机理分析及研究现状概述[J]. 刁岩,谢凯,洪晓斌,熊仕昭. 化学学报. 2013(04)
本文编号：3036652
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/3036652.html
