原位合成硫正极材料、电化学性能及活化机理研究

发布时间：2017-04-26 07:00

  本文关键词：原位合成硫正极材料、电化学性能及活化机理研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：锂硫电池具有充放电比容量高、成本低和环境友好等优势,是最有潜力的新一代电池系统。但硫自身的绝缘性和充放电中间产物易于溶解在电解液中等缺陷,严重制约了锂硫电池的推广与应用。本论文设计合成了中空聚苯胺/硫复合材料(hPANI/S)、石墨烯/硫/聚苯胺复合材料(G/S/PANI)和石墨烯/硫/二氧化硅(G/S/SiO_2)复合材料,并研究了三种复合材料的微观结构、电化学性能及潜在改善机理;主要研究内容如下:1.采用模板法和原位聚合法等制备中空聚苯胺/硫复合材料(hPANI/S)。TG-DSC测试复合材料S的含量为54.6 wt%。hPANI/S复合材料在充放电循环过程中,充放电比容量存在一个先降低然后趋于稳定的过程,第100次循环后的放电比容量为601.2 mAh g-1;明显优于同等条件下纯硫。材料形貌表征结果显示:hPANI/S复合材料中的S颗粒尺寸明显小于纯S;循环伏安结果表明hPANI/S复合材料阴极还原峰低于纯S,说明hPANI/S复合材料中硫与还原产物硫化锂的相互转化更易进行;EIS结果显示hPANI/S复合材料的导电性明显优于纯硫。另外,中空结构的聚苯胺(hPANI)有利于储存聚硫锂,有效减缓了聚硫锂在充放电过程中溶解于电解液,提高了活性物质的利用率。2.采用原位沉积法和原位聚合法合成了G/S/PANI复合材料。TG-DSC测试G/S/PANI复合材料的S含量为75.0 wt%。结合XRD、SEM表征结果,以G为载体沉积S颗粒尺寸明显小于纯硫。G/S/PANI复合材料0.1 C初始放电比容量为371.6 m Ah g-1,经30次循环后放电比容量增加到756.8 m Ah g-1,并在随后的循环过程中放电比容量趋于稳定;第150次循环时的放电比容量为703.2 m Ah g-1;明显高于同等条件的S和G/S复合材料。CV和EIS阻抗拟合结果表明,与S和G/S复合材料相比,G/S/PANI复合材料表现出更好的电化学性能,证实了G和PANI协同改善S的电化学性能。通过对比分析充放电循环前和经30次充放电循环后的TEM,发现G/S/PANI复合材料中的S颗粒变成S膜,表明S在充放电循环过程中存在扩散现象。S颗粒向S膜的转化增大了S与G的接触面积,从而改善复合材料的导电性和电化学性能。3.用原位沉积法和St?ber法制备G/S/SiO_2复合材料。G/S/SiO_2复合材料中,G和SiO_2的含量分别为4.0 wt%和4.0 wt%。G/S/SiO_2复合材料展现出良好的循环稳定性;150次循环后,G/S/SiO_2复合材料放电比容量为681.0 mAh g 1,库伦效率高于95.0%,并表现出较好的倍率性能。G/S/SiO_2复合材料在前30次充放电循环过程中呈现比容量递增现象,即活化过程;这与G/S/SiO_2复合材料的微观形貌和电化学阻抗变化相一致:沉积在G上的S循环后由颗粒变为膜层,其原因在于充放电过程中释放出来的热量、电化学转变引起的S结构坍塌和中间产物聚硫锂的浓度扩散使S在G表面分布更均匀;从电化学阻抗角度显示G/S/SiO_2复合材料的导电性随循环次数增加而逐渐增强,并在后续的循环过程中趋于稳定。
【关键词】：锂硫电池 聚硫锂 石墨烯 聚苯胺 二氧化硅 活化机理
【学位授予单位】：中国计量学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB332;TM912
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-16
• 1 绪论16-30
• 1.1 引言16-17
• 1.2 锂硫电池17-18
• 1.2.1 锂硫电池工作原理17
• 1.2.2 锂硫电池存在的问题17-18
• 1.3 锂硫电池正极材料的研究现状18-25
• 1.3.1 硫/碳复合材料19-21
• 1.3.2 硫/导电聚合物复合材料21-23
• 1.3.3 硫/氧化物复合材料23-25
• 1.4 锂硫电池锂负极研究现状25-26
• 1.5 锂硫电池新型电极结构设计26-28
• 1.6 课题选题依据及研究内容28-30
• 2 实验部分和表征手段30-34
• 2.1 实验材料和实验仪器30-31
• 2.1.1 实验材料30-31
• 2.1.2 实验仪器31
• 2.2 电池制备31-32
• 2.2.1 浆料制备31
• 2.2.2 极片制备31-32
• 2.2.3 电池组装32
• 2.3 材料表征测试32-33
• 2.3.1 X射线衍射 (XRD)表征32
• 2.3.2 扫描电镜 (SEM)表征32-33
• 2.3.3 热重-差示扫描量热 (TG-DSC)分析33
• 2.3.4 透射扫描 (TEM)分析33
• 2.4 电化学测试33-34
• 2.4.1 恒流充放电测试33
• 2.4.2 循环伏安 (CV)测试33
• 2.4.3 电化学阻抗 (EIS)测试33-34
• 3 中空hPANI/S复合材料的制备及电化学性能研究34-44
• 3.1 引言34
• 3.2 实验制备34-35
• 3.3 hPANI/S复合材料的表征35-39
• 3.3.1 微观结构35-38
• 3.3.2 TG-DSC38-39
• 3.4 hPANI/S复合材料的电化学性能39-43
• 3.4.1 hPANI/S复合材料的循环性能39-40
• 3.4.2 hPANI/S复合材料的倍率性能40-41
• 3.4.3 hPANI/S复合材料的循环伏安特性41-42
• 3.4.4 hPANI/S复合材料的阻抗图谱42-43
• 3.5 本章小结43-44
• 4 G/S/PANI复合材料的制备及电化学性能研究44-55
• 4.1 引言44
• 4.2 实验制备44-45
• 4.3 G/S/PANI复合材料的表征45-48
• 4.3.1 微观结构45-47
• 4.3.2 TG-DSC47-48
• 4.4 G/S/PANI复合材料的电化学性能48-52
• 4.4.1 G/S/PANI/复合材料的循环性能48-49
• 4.4.2 hPANI/S复合材料的倍率性能49-50
• 4.4.3 G/S/PANI复合材料的循环伏安特性50-51
• 4.4.4 G/S/PANI复合材料的阻抗图谱51-52
• 4.5 循环后G/S复合材料的形貌分析52-53
• 4.6 本章小结53-55
• 5 SiO_2包覆G/S复合材料的电化学性能及活化机理研究55-65
• 5.1 引言55
• 5.2 实验制备55-56
• 5.3 G/S/SiO_2复合材料的电化学性能56-60
• 5.3.1 G/S/SiO_2复合材料的循环性能56
• 5.3.2 G/S/SiO_2复合材料的倍率性能56-57
• 5.3.3 G/S/SiO_2复合材料的循环伏安特性57-58
• 5.3.4 G/S/SiO_2复合材料的阻抗图谱58-60
• 5.4 G/S/SiO_2复合材料的表征60-62
• 5.4.1 TG-DSC60
• 5.4.2 微观结构60-62
• 5.5 G/S/SiO_2复合材料的活化机理研究62-64
• 5.6 本章小结64-65
• 6 结论和展望65-67
• 6.1 结论65-66
• 6.2 展望66-67
• 参考文献67-73
• 作者简历73-74

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  本文关键词：原位合成硫正极材料、电化学性能及活化机理研究，，由笔耕文化传播整理发布。

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