高性能锂硫电池正极材料制备和研究

发布时间：2017-12-25 05:24

本文关键词：高性能锂硫电池正极材料制备和研究　出处：《上海大学》2016年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：进入新世纪以来。化学电源与能源的关系越来越密切,面对日益加重的能源危机,如何研究可持续的清洁能源成为现今社会最受关注的话题之一。锂电池由于其具备高能量密度且性能优越等特点,近年来受到了广泛关注。在各式各样的锂电池中,锂硫电池作为质量比能量和体积比能量最高的固态电极材料体系,因此受到全世界范围内的广泛青睐,并将其视为下一代锂电池发展方向。但是,由于锂硫电池中正极硫存在导电性差,体积膨胀,中间态多硫离子穿梭等问题,同时金属锂负极的使用对于电池安全性也是很大的隐患,因此锂硫电池的工作还是停留在实验室阶段。为此,本文从改进含硫正极的角度去制备正极材料,主要开展以下研究工作:其一,以硫化促进剂来提升硫-聚丙烯腈(PAN-S)复合材料中的载硫量。实验中在聚丙烯腈和单质硫高温反应过程中引入硫化促进剂,为聚丙烯腈的硫化提供更多的反应位点,从而提升正极材料的含硫量。表征和测试数据表明:用此硫化促进剂可以使得正极材料中的含硫量提升8wt%左右,对应的容量提升为120mAh/g(基于整个电极材料),含有硫化促进剂的正极材料其在0.25C电流密度下进行充放电测试,首放容量为628mAh/g(基于整个电极材料),在经历200次循环后,相当于第二次的放电容量并没有明显衰减。其二,在第一部分的工作基础上,我们继续提升硫-聚丙烯腈复合材料的含硫量,但是含硫量升高造成的直接后果就是长链硫和电解液的不兼容现象,因此我们通过使用电解液添加剂来修饰正极材料,避免电极材料和电解液的过多接触,从而提升电池的循环性能。表征和测试数据表明相对于不含有添加剂的电解液,有添加剂的电池展示出更好的循环稳定性,其中1wt%的添加量使得电池在0.25C电流下首次放电容量为836mAh/g(基于整个电极材料),且在100次循环后容量仍有520mAh/g(基于整个电极材料)。其三,以溶液交换法制备出含氮碳材料(NRC)包裹的超细的硫化锂纳米颗粒,实验中利用硫化锂在乙醇中的溶解度大于其在二甲基吡咯烷酮中的溶解度这一特性,通过挥发溶剂来制备聚合物包裹的大约5nm的纳米硫化锂颗粒,继而高温碳化制备出含氮碳材料包裹的纳米硫化锂复合材料。该材料在0.25C的倍率下循环1000次,每一圈的容量衰减只有0.046%。完美的富氮的碳材料包覆和纳米尺寸效应对于电池性能的提升起到了至关重要的作用。本文分别设计并合成了PAN-S、Nano Li2S@NRC两种种复合材料,从其设计思路、合成方法这两个方向进行了研究讨论,并对其物理和化学性质进行了表征。通过将其组装成纽扣电池,利用交流阻抗、循环伏安和充放电循环测试等各种电化学测试对材料性能进行了综合评价。结果表明:上述策略均在不同程度上提升了锂硫电池的性能,为后期锂硫电池材料的制备和产业化提供良好的参考。
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM912

【参考文献】