三维多孔碳纳米管夹层结构高性能锂硫电池研究
发布时间：2022-01-09 23:19
随着电动汽车和电子移动设备的迅猛发展,电子市场对储能系统的化学电源性能提出了更高的要求,尤其是更高容量和能量密度的下一代电池。为了实现现代电池的比能量密度的巨大突破,需要开发高存储容量的新型电极材料。在过去的几年中,已经对开发这种高容量电极材料进行了广泛的研究。在具有高能量存储的下一代电池系统中,锂硫（Li-S）电池被认为非常具有吸引力和潜力。硫元素具有1673 mAh/g的高理论容量和2600 Wh/kg的能量密度。这些远远高于锂离子电池中的常规正极材料（容量为250 mAh/g和能量密度为400 Wh/kg）。此外,硫还具有许多其他有利特性,包括储量广,低毒性,环境友好和低成本。但是,活性物质的低导电性,体积膨胀,较强的穿梭效应及负极锂枝晶的生长等系列问题都在严重影响了电池的充放电效率,降低电池性能,阻碍其商业化进程。本论文针对锂硫电池的夹层进行改性和结构优化,从而改善其性能。利用真空抽滤等传统工艺将多壁碳纳米管（MWCNTs）或者三维碳材料和各类纤维素混合制成三维多孔碳纤维纸,以其为基质载体,涂覆三（2-羧乙基）膦（TCEP）,或者打开多壁碳纳米管两端口,添加羟基官能团,以此作为...
【文章来源】：南昌大学江西省 211工程院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２穿梭效应原理图??
?第１章绪论???为了使锂硫电池进一步满足电池商业化产能，必须对其比容量进行提高。??研宄人员将二维碳材料应用于正极材料中，研宄其对锂硫电池的改性。石墨烯??是典型的二维碳材料，因其具有超高的比表面积和良好的机械性能，而被用于??改善锂硫电池的电化学性能。??／??１?１??图１．４石墨稀材料应用锂硫电池示意图??如图１．４所示，Ｚｈｅｎｇ等［６１］将氧化石墨烯（ＧＯ）作为多孔导电支架以提高??单质硫的承载量，ＧＯ溶液中放入多硫化钠和甲酸，活性硫和锂多硫化物因其与??ＧＯ之间的强作用力而被锚定在ＧＯ表面的活性官能团上，在Ｃ／１０电流密度下??放电，初始容量可达１０００?ｍＡｈ／ｇ，经过５０次循环后依旧维持可逆容量９５４??ｍＡｈ／ｇ，展现出超低的衰减率。石墨烯不仅具有良好的导电性，还具有优异的成??膜性，可作为无粘接剂的自支撑电极优化电池结构，以提高对活性物质硫的承??载量。Ｚｈａｎｇ等［６２］为了制备新型的Ｇ／ＳＷＣＮＴ杂化材料，将层状双氢氧化物??（ＬＤＨ）进行９５０?°Ｃ高温催化生长。热稳定的铁纳米颗粒和均匀的ＬＤＨ薄片结??构是同时催化沉积石墨烯和石墨烯的关键。石墨烯与石墨烯之间的热传导连接，??以及ＳＷＣＮＴｓ与石墨稀之间的热传导连接，促进了高导电通路的构建，而石墨??烯的层间具有足够的空间以保证硫磺的储存和缓解硫体积膨胀以免造成结构破??坏。在５?Ｃ电流密度的冲击下，循环充放电１００次后，仍然保持约６５０?ｍＡｈ／ｇ的??可逆比容量。??１．３．２硫－金属化合物复合材料??单纯纳米碳材料的共轭非极性碳平面强锚定极性分子的位置有限，为了提??６??
，使复合材料具有丰富的界面，电子和锂离子可以与活性硫发生多电子转??换反应。同时，金属氧化物不溶于大多有机溶液，良好的导电性为离子和电子??提供顺畅导电通道。??研究人员对不同形貌的纳米二氧化钛（Ｔｉ０２）作为正极材料的基质主体进行??了系列研究，如介孔中空二氧化钛球二氧化钛纳米纤维［６４］、纳米粒子［６５］以??及纳米管岡等。Ｃｕｉ等研宄锂电池硫阴极的硫非晶－丁丨０２蛋黄核蛋壳结构。通??过在含少量聚乙烯吡咯烷酮表面活性剂的胶态硫悬浮液中水解双乙酰丙酮钛，??制备了核壳纳米结构（图１．５）。再将核壳粒子中融入甲苯溶解的活性硫，生成??蛋黄核壳Ｓ－Ｔｉ０２纳米粒子。在０．５?Ｃ时，初始比容为１０３０?ｍＡｈ／ｇ，在１０００个循??环中，库伦效率为９８．４％，在１０００个循环后，容量衰减率为０．０３３％。得益于该??独特的空间结构有效缓解活性物质硫的体积密度膨胀，以及小孔径的二氧化钛??在最大程度上阻碍了多硫化物的溶解扩散，提高了多硫化物的吸附率，降低了??电解液浓度进而减少内部阻抗。亲水的Ｔｉ０２基团和二氧化钛表面的羟基都被认??为与多硫阴离子结合良好。??Ｐａ＿ｓ??ｆ?Ｓｕｌｐｈｕｒ?ｊ?■?Ｓｕｌｐｈｕｒ?■?＾?＼?■??」ｃｏａｔｉｎｇ?ｄｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎ??图１．５蛋黄核壳结构的Ｓ－ＴｉＣｈ结构图??Ｍｎ０２因表面具备丰富的结合位点氧空位而被广泛应用于锂硫电池中作为??宿主硫材料。Ｚｈａｏ等＿首先设计了一个高效的Ｓ－Ｍｎ〇２锂电池。通过氧化还原??法对Ｓ和Ｍｎ０２进行合成Ｓ－ＭｎＣｂ复合材料，在硫表面包覆薄薄的Ｍｎ０２层（＜１００??ｎｍ），从而得到Ｓ／Ｍｎ０２纳米复合材料（含７５％硫），在Ｃ／２０
【参考文献】：
期刊论文
[1]锂离子电池负极硅碳复合材料的研究进展[J]. 鲁豪祺,林少雄,陈伟伦,刘巧云,罗昱,张五星. 储能科学与技术. 2018(04)
[2]锂硫电池复合硫正极中客体材料与多硫化物的相互作用[J]. 唐晓楠,孙振华,陈克,杨慧聪,禚淑萍,李峰. 储能科学与技术. 2017(03)
本文编号：3579623
【文章来源】：南昌大学江西省 211工程院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２穿梭效应原理图??
?第１章绪论???为了使锂硫电池进一步满足电池商业化产能，必须对其比容量进行提高。??研宄人员将二维碳材料应用于正极材料中，研宄其对锂硫电池的改性。石墨烯??是典型的二维碳材料，因其具有超高的比表面积和良好的机械性能，而被用于??改善锂硫电池的电化学性能。??／??１?１??图１．４石墨稀材料应用锂硫电池示意图??如图１．４所示，Ｚｈｅｎｇ等［６１］将氧化石墨烯（ＧＯ）作为多孔导电支架以提高??单质硫的承载量，ＧＯ溶液中放入多硫化钠和甲酸，活性硫和锂多硫化物因其与??ＧＯ之间的强作用力而被锚定在ＧＯ表面的活性官能团上，在Ｃ／１０电流密度下??放电，初始容量可达１０００?ｍＡｈ／ｇ，经过５０次循环后依旧维持可逆容量９５４??ｍＡｈ／ｇ，展现出超低的衰减率。石墨烯不仅具有良好的导电性，还具有优异的成??膜性，可作为无粘接剂的自支撑电极优化电池结构，以提高对活性物质硫的承??载量。Ｚｈａｎｇ等［６２］为了制备新型的Ｇ／ＳＷＣＮＴ杂化材料，将层状双氢氧化物??（ＬＤＨ）进行９５０?°Ｃ高温催化生长。热稳定的铁纳米颗粒和均匀的ＬＤＨ薄片结??构是同时催化沉积石墨烯和石墨烯的关键。石墨烯与石墨烯之间的热传导连接，??以及ＳＷＣＮＴｓ与石墨稀之间的热传导连接，促进了高导电通路的构建，而石墨??烯的层间具有足够的空间以保证硫磺的储存和缓解硫体积膨胀以免造成结构破??坏。在５?Ｃ电流密度的冲击下，循环充放电１００次后，仍然保持约６５０?ｍＡｈ／ｇ的??可逆比容量。??１．３．２硫－金属化合物复合材料??单纯纳米碳材料的共轭非极性碳平面强锚定极性分子的位置有限，为了提??６??
，使复合材料具有丰富的界面，电子和锂离子可以与活性硫发生多电子转??换反应。同时，金属氧化物不溶于大多有机溶液，良好的导电性为离子和电子??提供顺畅导电通道。??研究人员对不同形貌的纳米二氧化钛（Ｔｉ０２）作为正极材料的基质主体进行??了系列研究，如介孔中空二氧化钛球二氧化钛纳米纤维［６４］、纳米粒子［６５］以??及纳米管岡等。Ｃｕｉ等研宄锂电池硫阴极的硫非晶－丁丨０２蛋黄核蛋壳结构。通??过在含少量聚乙烯吡咯烷酮表面活性剂的胶态硫悬浮液中水解双乙酰丙酮钛，??制备了核壳纳米结构（图１．５）。再将核壳粒子中融入甲苯溶解的活性硫，生成??蛋黄核壳Ｓ－Ｔｉ０２纳米粒子。在０．５?Ｃ时，初始比容为１０３０?ｍＡｈ／ｇ，在１０００个循??环中，库伦效率为９８．４％，在１０００个循环后，容量衰减率为０．０３３％。得益于该??独特的空间结构有效缓解活性物质硫的体积密度膨胀，以及小孔径的二氧化钛??在最大程度上阻碍了多硫化物的溶解扩散，提高了多硫化物的吸附率，降低了??电解液浓度进而减少内部阻抗。亲水的Ｔｉ０２基团和二氧化钛表面的羟基都被认??为与多硫阴离子结合良好。??Ｐａ＿ｓ??ｆ?Ｓｕｌｐｈｕｒ?ｊ?■?Ｓｕｌｐｈｕｒ?■?＾?＼?■??」ｃｏａｔｉｎｇ?ｄｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎ??图１．５蛋黄核壳结构的Ｓ－ＴｉＣｈ结构图??Ｍｎ０２因表面具备丰富的结合位点氧空位而被广泛应用于锂硫电池中作为??宿主硫材料。Ｚｈａｏ等＿首先设计了一个高效的Ｓ－Ｍｎ〇２锂电池。通过氧化还原??法对Ｓ和Ｍｎ０２进行合成Ｓ－ＭｎＣｂ复合材料，在硫表面包覆薄薄的Ｍｎ０２层（＜１００??ｎｍ），从而得到Ｓ／Ｍｎ０２纳米复合材料（含７５％硫），在Ｃ／２０
【参考文献】：
期刊论文
[1]锂离子电池负极硅碳复合材料的研究进展[J]. 鲁豪祺,林少雄,陈伟伦,刘巧云,罗昱,张五星. 储能科学与技术. 2018(04)
[2]锂硫电池复合硫正极中客体材料与多硫化物的相互作用[J]. 唐晓楠,孙振华,陈克,杨慧聪,禚淑萍,李峰. 储能科学与技术. 2017(03)
本文编号：3579623
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/3579623.html
