高性能多孔硫复合正极材料的制备及性能研究

发布时间：2017-09-19 03:45

  本文关键词：高性能多孔硫复合正极材料的制备及性能研究

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【摘要】：锂硫电池由于具有超高的能量密度(2600 Wh/kg)和丰富的原材料等一系列优点而备受关注。然而,要实现锂硫电池的商业化,尚需解决容量衰减过快、活性物质利用率低以及安全性能差等诸多问题。解决这些问题最常用的方法是用碳材料和导电聚合物包覆硫,以达到抑制穿梭效应的作用。本文以碳材料、导电聚合物和金属氧化物在锂硫电池中的应用为背景,设计了不同结构形貌的锂硫电池正极材料,本文主要研究内容与结论如下：(1)有序介孔碳/硫复合正极材料的制备及其石墨烯的包覆研究。以有序介孔碳(CMK-3)为导电骨架,制备了介孔碳/硫(CMK-3/S)复合正极材料,并通过介孔碳表面的功能化和桥联剂的辅助作用,实现了石墨烯对介孔碳/硫复合材料的可控包覆。在这种独特地双层碳结构中,介孔碳丰富的孔结构和石墨烯包覆层可以抑制多硫化物的溶出和改善硫纳米颗粒的导电率。电化学性能测试表明,单纯的介孔碳对多硫化物的抑制作用是有限的,不能有效的抑制穿梭效应的发生。石墨烯的包覆能提高复合材料的电化学性能,且随着包覆效果的提高,复合材料的电化学性能越好。扫描电镜和透射电镜测试表明,在赖氨酸存在的条件下,石墨烯能均匀而紧密的包覆在介孔碳/硫颗粒的表面(RGO@CMK-3/S-L)。因此,复合材料RGO@CMK-3/S-L具有最好的电化学性能,0.5 C时经过100次循环后,比容量仍高达720 mAh g-1,且2 C时的倍率容量为660 mAh g-1。(2)多孔聚苯胺/硫复合正极材料的研究。以SBA-15为模板,制备了介孔聚苯胺(M-PANI/S)导电载体,与硫复合后,获得了高性能的聚苯胺/硫复合正极材料。在这种复合材料体系中,具有良好锂离子电导率的介孔聚苯胺,可以通过较强的化学相互作用力和物理吸附效应来有效地抑制多硫化物的穿梭效应,从而显著的改善了锂硫电池的电化学性能。研究表明,M-PANI/S具有优异的电化学性能,在2C时倍率容量高达600 mAh g-1,1 C时的首次放电比容量为928 mAh g-1,经过400次循环后的比容量仍保持在517.3 mAhg-1.(3) TiO2/S复合材料的制备及其石墨烯的包覆研究。以纳米碳酸钙为模板,合成中空二氧化钛纳米球载体,负载硫后,制备了纳米S/TiO2复合正极材料。在此基础上,考察了二氧化钛的烧结温度对正极材料电化学性能的影响。电化学性能测试表明,二氧化钛的烧结温度为500℃时,S/TiO2复合正极材料具有最优越的电化学性能,其在2C时的倍率容量为550 mAh g-1,而1C的电流密度下,首次放电比容量为852.6 mAh g-1,经过100次循环后,比容量仍保持在399.6 mAh g-1左右。在优化烧结温度后,以500℃烧结的二氧化钛负载硫,然后在以石墨烯进行包覆处理(G-TiO2@S),可进一步的改善复合材料的电化学性能。结果表明,复合材料G-TiI2@S在1C的电流密度下,首次放电比容量为872.8 mAh g-1,经过200次循环后,比容量仍高达555.8 mAh g-1。
【关键词】：锂硫电池 正极材料 多孔结构 介孔碳 石墨烯 聚苯胺 二氧化钛
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB332;TM912
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-16
• 第1章 绪论16-32
• 1.1 引言16
• 1.2 锂离子电池概述16-18
• 1.3 锂硫电池概述18-22
• 1.3.1 锂硫电池工作原理19-20
• 1.3.2 影响锂硫电池性能的因素20-22
• 1.4 锂硫电池正极材料的研究进展22-27
• 1.4.1 硫/碳复合正极材料22-25
• 1.4.2 硫/导电聚合物复合材料25-26
• 1.4.3 硫/金属氧化物复合材料26-27
• 1.5 锂硫电池负极材料的研究进展27
• 1.6 电解液的研究进展27-30
• 1.6.1 液态电解质28-29
• 1.6.2 固态电解质29-30
• 1.7 本课题研究的意义及内容30-32
• 第2章 实验方法32-38
• 2.1 实验材料32-33
• 2.2 实验仪器与设备33
• 2.3 电极的制备及电池的组装33-35
• 2.3.1 浆料的调制33-34
• 2.3.2 正极片的制备34
• 2.3.3 电池组装34-35
• 2.4 材料结构测试及表征方法35-36
• 2.4.1 X射线衍射35
• 2.4.2 扫描电子显微镜35
• 2.4.3 透射电子显微镜35
• 2.4.4 比表面及孔径分析仪35
• 2.4.5 热重分析35
• 2.4.6 傅里叶变换红外光谱35-36
• 2.4.7 紫外吸收光谱36
• 2.4.8 X-射线光电子能谱36
• 2.5 电化学性能表征36-38
• 2.5.1 充放电测试36
• 2.5.2 交流阻抗测试36
• 2.5.3 循环伏安测试36-38
• 第3章 有序介孔碳/硫复合正极材料的制备及其石墨烯的包覆研究38-59
• 3.1 引言38-39
• 3.2 实验方法39-40
• 3.2.1 氧化石墨烯的制备39
• 3.2.2 SBA-15的制备39
• 3.2.3 CMK-3的制备及表面修饰39-40
• 3.2.4 硫/碳复合正极材料的制备40
• 3.3 氧化石墨烯的扫描电镜分析40-41
• 3.4 SBA-15的结构分析41-43
• 3.5 酸碱性环境对氧化石墨烯包覆效果的影响43-44
• 3.6 桥联剂对氧化石墨烯包覆效果的影响44-57
• 3.6.1 结构与形貌分析44-49
• 3.6.2 电化学性能分析49-57
• 3.7 本章小结57-59
• 第4章 多孔聚苯胺/硫复合正极材料的研究59-74
• 4.1 引言59
• 4.2 实验方法59-60
• 4.2.1 M-PANI的制备59-60
• 4.2.2 M-PANI/S的制备60
• 4.3 聚合时间对聚苯胺形貌的影响60-65
• 4.3.1 扫描电镜分析60-62
• 4.3.2 透射电镜分析62-65
• 4.4 M-PANI/S的结构与性能研究65-73
• 4.4.1 结构与形貌分析65-66
• 4.4.2 电化学性能分析66-73
• 4.5 本章小结73-74
• 第5章 TiO_2/S复合材料的制备及其石墨烯的包覆研究74-96
• 5.1 引言74
• 5.2 实验过程74-75
• 5.2.1 S/TiO_2复合材料的制备74-75
• 5.2.2 G-TiO_2@S的制备75
• 5.3 烧结温度对S/TiO_2复合材料的影响75-85
• 5.3.1 结构和形貌表征76-79
• 5.3.2 电化学性能分析79-85
• 5.4 石墨烯包覆对TiO_2/S复合材料的影响85-94
• 5.4.1 结构和形貌表征85-87
• 5.4.2 电化学性能分析87-94
• 5.5 本章小结94-96
• 第6章 结论与展望96-98
• 6.1 论文主要结论96-97
• 6.2 展望97-98
• 参考文献98-109
• 附录A 攻读学位期间发表的学术论文目录109-110
• 致谢110

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本文编号：879318