自组装石墨烯纤维复合二硫化钨用于锂硫电池正极的研究
发布时间：2021-06-13 12:36
锂硫电池因为具有较高的能量密度(2600 Wh kg-1)、高的理论比容量(1675mA h g-1)、环境友好以及硫资源丰富等优点,被视为下一代最有前景的储能体系之一。然而,与传统的锂离子电池相比,锂硫电池的电化学反应过程不仅涉及了少量的锂离子的嵌入/脱嵌,而且更多地涉及到多步复杂的物相演变过程（S?LiPSs（Li2Sx,2<x≤8）?Li2S/Li2S2）。因而,锂硫电池在实际的应用过程中还存在一些迫切需要解决的问题,主要包括:多硫化锂的穿梭效应导致的活性物质硫的不可逆损失、电池的循环稳定性下降和硫单质本身导电率低造成的缓慢电化学反应动力学过程、硫的利用效率降低等。针对上述存在的问题,合理地选择载硫基质材料和设计载硫基质的结构,对有效抑制多硫化锂的穿梭、加速电化学反应过程、提升电池的容量和循环寿命具有重要的意义。在过去的二十年内,石墨烯材料因具有优异的机械性、高的导电性和高的比表面积,成为了能源领域的研究热点,在锂硫电池上...
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂硫电池充放电原理示意图[1]
兰州大学硕士学位论文自组装石墨烯纤维复合二硫化钨用于锂硫电池正极的研究7米锂，来解决上述的问题。此外，还可用非锂金属（如硫化锂Li2S等）来替代金属锂，以提高锂硫电池的稳定性和安全性能。1.2.4锂硫电池正极材料的研究进展寻求有效的载硫基质材料和设计合理的载硫基质结构，一直以来都是锂硫电池正极的热点。利用不同材料的不同性质，如导电性、吸附性和催化性等，构造合理的结构来提升锂硫电池的性能。本节我们主要综述当前锂硫电池正极材料和结构设计的一些研究进展，分析各自的优点和不足。迄今为止，各式各样的材料被用作单质硫的载体，如图1-4所示。从固硫的方式来划分，可简单地分为物理固硫和化学固硫两个大类；从材料本身可以归纳为以下几个大类：碳材料、金属氧化物、金属硫化物、导电聚合物，以及MOF、COF、MXene。（一）碳材料碳材料是目前储能领域最为常见的基质材料。碳材料，因为丰富易得、价格便宜、高的导电率、较高的比表面积、良好的机械性能、易成型、无毒和强的稳定性，也被广泛的应用到锂硫电池的正极材料中。常见的碳材料主要包括活性炭、碳纳米管、碳纳米纤维、多孔碳，以及石墨烯等[32-39]。碳材料在锂硫电池正极上的应用研究主要是改善含硫电极的导电性，以及通过物理区域限制和碳材料的吸附性能来抑制电极中单质硫的流失。研究表明，碳材料被作为锂硫电池的正极载硫基质需要满足三个必要的条件：首先，碳材料需要具有较大的比表面积，为单图1-3载硫体材料分类
兰州大学硕士学位论文自组装石墨烯纤维复合二硫化钨用于锂硫电池正极的研究21通过电池专用涂刮器，将这些悬浊液均匀的涂在50μm厚的铝箔收集层上，将涂有悬浊液的铝箔在真空烘箱中干燥24h，温度为60°C。随后，将铝箔裁剪为直径为16mm圆形电极片，其中每个电极上硫含量约为2±0.2mg。最后，在充满氩气Ar的手套箱中，将准备好的电极片作为锂硫电池的正极、锂金属片作为电池的负极、使用Celgard2400锂电池隔膜分离正负极和由1Mlithiumbistrifluoromethylsulfonylimide(LiTFSI)溶解到1,3dioxolane/1,2dimethoxyethane(DOL/DME)的二元溶剂中，同时0.1MLiNO3作为添加剂的电解液封装在电池型号为2032的电池中进行电化学测试。3.3实验结果表征及分析为了清晰展现这种微波辅助一步法合成石墨烯纤维结构的合成机理和合成过程。整个实验的合成机理和流程可以被简单的归结为：一副形象化的流程图、一个动态卷曲过程和两个方程式。整个石墨烯纤维结构的合成机理和合成过程如图3-1所示：如图所示，在图3-1中整个过程可以被区分为四个步骤：分别为微波辐射、离子力相互作用、还原单质纳米硫和氧化石墨烯的还原。第一步，首先维持氧化石墨烯平面化的边缘区域极性含氧官能团经过微波辐射处理使得位于边缘区域的部分极性含氧官能团脱落与氧化石墨烯纳米片，这将由于静电力不平衡作用使平面状的氧化石墨烯纳米片初步发生褶皱。这个过程将被形象描述为3-2等式；6()→6()+()(3-2)图3-1石墨烯纤维合成机理及合成过程流程图
【参考文献】：
期刊论文
[1]Concrete-like high sulfur content cathodes with enhanced electrochemical performance for lithium-sulfur batteries[J]. Bolan Gan,Kaikai Tang,Yali Chen,Dandan Wang,Na Wang,Wenxian Li,Yong Wang,Hao Liu,Guoxiu Wang. Journal of Energy Chemistry. 2020(03)
[2]Graphene/RuO2 nanocrystal composites as sulfur host for lithium-sulfur batteries[J]. Jian-Qiu Huang,Jiaqiang Huang,Woon Gie Chong,Jiang Cui,Shanshan Yao,Baoling Huang,Jang-Kyo Kim. Journal of Energy Chemistry. 2019(08)
[3]世界硫资源及其开发利用[J]. 鲍荣华,郭小兵. 化肥工业. 2018(02)
本文编号：3227520
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂硫电池充放电原理示意图[1]
兰州大学硕士学位论文自组装石墨烯纤维复合二硫化钨用于锂硫电池正极的研究7米锂，来解决上述的问题。此外，还可用非锂金属（如硫化锂Li2S等）来替代金属锂，以提高锂硫电池的稳定性和安全性能。1.2.4锂硫电池正极材料的研究进展寻求有效的载硫基质材料和设计合理的载硫基质结构，一直以来都是锂硫电池正极的热点。利用不同材料的不同性质，如导电性、吸附性和催化性等，构造合理的结构来提升锂硫电池的性能。本节我们主要综述当前锂硫电池正极材料和结构设计的一些研究进展，分析各自的优点和不足。迄今为止，各式各样的材料被用作单质硫的载体，如图1-4所示。从固硫的方式来划分，可简单地分为物理固硫和化学固硫两个大类；从材料本身可以归纳为以下几个大类：碳材料、金属氧化物、金属硫化物、导电聚合物，以及MOF、COF、MXene。（一）碳材料碳材料是目前储能领域最为常见的基质材料。碳材料，因为丰富易得、价格便宜、高的导电率、较高的比表面积、良好的机械性能、易成型、无毒和强的稳定性，也被广泛的应用到锂硫电池的正极材料中。常见的碳材料主要包括活性炭、碳纳米管、碳纳米纤维、多孔碳，以及石墨烯等[32-39]。碳材料在锂硫电池正极上的应用研究主要是改善含硫电极的导电性，以及通过物理区域限制和碳材料的吸附性能来抑制电极中单质硫的流失。研究表明，碳材料被作为锂硫电池的正极载硫基质需要满足三个必要的条件：首先，碳材料需要具有较大的比表面积，为单图1-3载硫体材料分类
兰州大学硕士学位论文自组装石墨烯纤维复合二硫化钨用于锂硫电池正极的研究21通过电池专用涂刮器，将这些悬浊液均匀的涂在50μm厚的铝箔收集层上，将涂有悬浊液的铝箔在真空烘箱中干燥24h，温度为60°C。随后，将铝箔裁剪为直径为16mm圆形电极片，其中每个电极上硫含量约为2±0.2mg。最后，在充满氩气Ar的手套箱中，将准备好的电极片作为锂硫电池的正极、锂金属片作为电池的负极、使用Celgard2400锂电池隔膜分离正负极和由1Mlithiumbistrifluoromethylsulfonylimide(LiTFSI)溶解到1,3dioxolane/1,2dimethoxyethane(DOL/DME)的二元溶剂中，同时0.1MLiNO3作为添加剂的电解液封装在电池型号为2032的电池中进行电化学测试。3.3实验结果表征及分析为了清晰展现这种微波辅助一步法合成石墨烯纤维结构的合成机理和合成过程。整个实验的合成机理和流程可以被简单的归结为：一副形象化的流程图、一个动态卷曲过程和两个方程式。整个石墨烯纤维结构的合成机理和合成过程如图3-1所示：如图所示，在图3-1中整个过程可以被区分为四个步骤：分别为微波辐射、离子力相互作用、还原单质纳米硫和氧化石墨烯的还原。第一步，首先维持氧化石墨烯平面化的边缘区域极性含氧官能团经过微波辐射处理使得位于边缘区域的部分极性含氧官能团脱落与氧化石墨烯纳米片，这将由于静电力不平衡作用使平面状的氧化石墨烯纳米片初步发生褶皱。这个过程将被形象描述为3-2等式；6()→6()+()(3-2)图3-1石墨烯纤维合成机理及合成过程流程图
【参考文献】：
期刊论文
[1]Concrete-like high sulfur content cathodes with enhanced electrochemical performance for lithium-sulfur batteries[J]. Bolan Gan,Kaikai Tang,Yali Chen,Dandan Wang,Na Wang,Wenxian Li,Yong Wang,Hao Liu,Guoxiu Wang. Journal of Energy Chemistry. 2020(03)
[2]Graphene/RuO2 nanocrystal composites as sulfur host for lithium-sulfur batteries[J]. Jian-Qiu Huang,Jiaqiang Huang,Woon Gie Chong,Jiang Cui,Shanshan Yao,Baoling Huang,Jang-Kyo Kim. Journal of Energy Chemistry. 2019(08)
[3]世界硫资源及其开发利用[J]. 鲍荣华,郭小兵. 化肥工业. 2018(02)
本文编号：3227520
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