多孔碳@二硫化钼复合纤维的制备与锂硫电池性能研究

发布时间：2020-03-22 06:14

【摘要】：便携式移动设备、电动汽车等的快速发展离不开高能量密度、低成本的二次电池系统。锂硫电池因其高理论比容量(1675 mA h g~(-1))和高比能量(2600 W h Kg~(-1)),有望成为锂离子电池的代替者。但已有的问题阻碍了商业化进程,如硫和硫化锂的绝缘性导致活性物质硫的实际容量偏低;硫在脱锂/嵌锂的过程中,体积变化容易破坏材料结构;充放电中间产物溶解在电解液中,产生穿梭效应并降低电池库伦效率。如何改变这种状况才是提升锂硫电池的实际容量和循环性能的关键。本文考虑到碳纤维具有高比表面积,较高的电子导电性以及纤维网络具有缓冲体积膨胀的优势,通过静电纺丝技术等得到多孔石墨化碳/硫复合纳米纤维;并在多孔石墨化碳纤维表面生长二硫化钼并附硫,得到石墨化碳/二硫化钼@硫复合纤维,以上材料均表现出优异性能。本文工作如下:(1)具有3D结构的多孔石墨化碳/硫复合纤维的制备及电化学性能研究。采用氧化铁作为造孔剂和催化剂,PAN为碳源,通过静电纺丝技术并对纤维退火、酸化处理,然后以一定比例和硫粉155℃热处理,得到纳米复合纤维。氧化铁作为造孔剂,使几纳米级别的硫颗粒分散在多孔的复合纤维内,一方面防止硫颗粒团聚,和碳纤维复合提高其导电性,一方面物理限制硫的反应空间;作为催化剂,使孔隙周围的碳石墨化,进一步提高导电性。此复合纤维可作为独立电极。在0.1C电流密度下其初始可逆容量高到1250 mA h g~(-1),1 C倍率下200次循环后比容量仍维持在720 mA h g~(-1),即使在2 C高充放电倍率下其可逆容量仍达670mA h g~(-1)。(2)石墨化碳/二硫化钼@硫复合纤维的制备及电化学性能研究。我们在上面提到的多孔石墨化碳纤维表面生长二硫化钼并附硫,得到石墨化碳/二硫化钼@硫复合纤维(G-CNFs@MoS_2/S)。铁氧化合物被腐蚀后留下空间,有效地缓解充放电带来的体积变化。MoS_2纳米片作为充放电反应位点,有效地限制了中间产物多硫化物的扩散,从而缓解了穿梭效应。结果表明该材料表现出良好的电化学性能。其初始比容量在0.1C电流密度下达1351 mA h g~(-1),0.1C下200次循环后比容量仍维持在910 mA h g~(-1),1C下500次循环后其可逆容量仍维持在524mA h g~(-1)。
【图文】：

锂二次电池,未来市场

图 1.1 锂二次电池未来市场发展趋势图[4]近年来，随着锂离子电池的能量密度与倍率性能的不断发展，如图1.1所示，越来越多的汽车企业将生产转向以锂离子电池为驱动动力的新能源汽车领域。但是，现在的电动汽车仍不能满足人们对长距离行驶与快速充放电的要求，而商业化以镍钴锰酸 Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2的三元材料能量密度已经到达了瓶颈，再难有所突破。为了新能源汽车市场的稳步发展，我们必须开发新的具有更高能量密度的正极材料来满足人们对电动汽车长续航、快速充放电的要求[2]。在众多的正极材料中，单质硫具有高的理论比容量（1675mAhg-1）和比能量（2600WhKg-1），因此锂硫电池被认为是最具应用前景的储能器件之一。1.2 锂硫电池概述硫是一种非金属元素，?

示意图,充放电过程,电极,示意图

1.2 左上角，分子式量为 256。硫在地球上含量丰富，广泛分布在地球岩石、土壤，以及火山喷发的沉积物等。硫无毒无害，但难溶于水，，易溶于二硫化碳。硫单是一种绝缘材料，，具有非常低的电导率（0.）。因此，为了发挥其高能量密度，实现更长的循环寿命，硫单质不极材料，而是将其与导电骨架复合。由于常温常压下，硫单质是固态与导电材料紧密复合，或者使硫单质更好的渗透到纳尺度下的多孔导通常要将硫与导电材料在密封下进行热处理，单质硫在被加热时，分度的升高而发生不同的变化。相关的研究表明，在 150℃-350℃的温硫的黏度呈现以下特点：温度加热到 160℃时，环状 S8分子吸收热量形成长链，粘度逐渐升高，当加热到 190℃时，此时粘度达到最大。硫的长链开始断裂，粘度随之下降；155℃时，硫的粘度最小。因此选用 155 ℃热处理密封下的硫复合材料。锂硫电池不同于传统的嵌入与脱嵌、插入与脱插模式的锂离子二次通过正极单质硫和负极锂之间的化学能来储存/释放电能，锂硫电池是活性硫，负极材料是金属锂片，如图 1.2 所示[5]。充放电机理包含
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB332;TM912

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