炭气凝胶材料的制备及其在锂硫电池中的应用

发布时间：2020-04-17 08:50

【摘要】：锂硫电池是一种新型的二次电池,它具有很高的能量密度,达到2600 Wh/kg,而且锂硫电池的循环寿命很长,但由于其活性物质硫导电性差、循环过程中产生体积膨胀以及中间产物的穿梭效应等缺点,使锂硫电池在实际应用中受到很大的限制。对于锂硫电池存在的不足,本文首先通过反相乳化法制备了糖炭气凝胶,并与硫进行复合,使其作为锂硫电池正极的碳基底材料。其次,在糖炭气凝胶中掺杂多壁碳纳米管,并通过高温碳化,引入羰基等含氧基团,对锂硫电池多硫化物产生极性吸附作用。最后在炭气凝胶中掺杂氧化石墨烯,利用其表面的丰富的含氧官能团,增强对多硫化物的吸附作用。论文主要的研究内容主要分为以下三个部分:(1)采用反相乳化法制备得到转速分别为1 kr/min(CA-1)、4 kr/min(CA-2)、7 kr/min(CA-3)和10 kr/min(CA-4)的四组糖炭气凝胶材料,并与硫进行复合,得到CAS复合材料。然后装配电池,探究不同转速对锂硫电池电化学性能的影响。在0.5 C倍率下,CAS-1放电曲线没有明显平台,而CAS-2、CAS-3、CAS-4具有平稳的放电曲线,100次循环后容量的保持率分别为68.53%、63.67%和53.42%。通过对比,CAS-2具有最佳的电化学性能。(2)针对锂硫电池中多硫化物易溶于电解液的问题,利用高温氧化后的MWCNTs表面产生的含氧官能团,对多硫化物具有强吸附的特点,采用反相乳化法制备得到碳纳米管掺杂量分别为5%(CAM-1)、10%(CAM-2)、20%(CAM-3)的三组多壁碳纳米管/炭气凝胶复合材料,并采用水热法与硫进行复合,得到对应的三组CAMS复合材料。在0.5 C倍率放电下,100次循环后容量保持率分别为87.00%、77.28%和73.88%;因此MWCNTs的掺杂量为5%时,具有相对较好的电化学性能。(3)为缓解锂硫电池的穿梭效应,我们利用氧化石墨烯表面丰富的含氧官能团对多硫化物的吸附特性,采用反相乳化法,制备了氧化石墨烯掺杂量分别为5%(CAG-1)、10%(CAG-2)和20%(CAG-3)的氧化石墨烯/炭气凝胶复合材料。与硫复合后,得到对应的三组CAGS复合材料,并探究不同GO掺杂量对复合材料电化学性能的影响。结果表明,在0.5 C倍率放电下,100次循环后CAGS-1、CAGS-2、CAGS-3的容量保持率分别为100%、82.04%和76.66%。当GO的掺杂量为5%时,具有较优的容量保持率。
【图文】：

分为四个阶段。如图 1.1 所示[23]，第一阶段为 S8向长链多硫i2S4~8)，第二阶段为长链多硫化物向短链多硫化物的过渡过程短链多硫化物向 Li2S2或 Li2S 的过渡过程，第四阶段为 Li2S。

Li-S 电池在循环测试期间的工作机制和典型的恒电流充电/放电曲线的示意图如图1.2 所示，图 1.2 锂硫电池充放电的结构示意图[23]首先放电阶段，环状硫(S8)还原为最终产物 Li2S，，电池充电时，Li2S 氧化成硫。整个反应可表示为 S8+16Li 8Li2S。然而，实际的放电和充电过程非常复杂，同时伴有许多多重副反应。根据电解液的成分，放电过程中有两个或三个还原阶段。第一阶段占据了大约四分之一的分布，即约 2.4 V 电压时，S8反应转变为
【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】：TQ427.26;TM912

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本文编号：2630679