基于氨基功能化纳米材料的夹层及其在锂硫电池中的应用

发布时间：2020-09-04 21:34

　　随着全球能源需求的不断增长,具有高能量密度、先进、低成本的能量存储系统对于替代传统锂离子电池迫在眉睫。因此锂硫电池(Li-S电池)步入了社会的舞台。高能量密度(2600 Wh Kg~(-1))和高理论比容量(1675 mA h g~(-1))等优点使其具有较高的研究及发展价值。同时作为电池活性物质的单质硫也拥有不可忽视的优点:无毒、对环境友好、价格低廉且来源广泛。因此,Li-S电池具备下一代高性能储能系统的优势,受到了国内外研究者的广泛关注。尽管Li-S电池具有巨大的潜力,但在实际应用中仍然受到多硫化物(PSs)在有机电解质中的溶解及其相互作用所导致的“穿梭效应”所阻碍,即作为正极活性物质的单质硫在放电过程中,得到电子被还原成多硫化物,其中可溶性多硫化物会溶解在有机电解质中通过隔膜迁移到负极与金属锂发生一系列的副反应。这种穿梭现象会导致电池活性物质的损失和高的电池阻抗,使得硫利用率降低,电池容量急剧衰减,速率性能受限。本论文分析并总结了Li-S电池的研究现状与发展,通过设计和制备纳米功能性夹层材料来解决PSs的“穿梭效应”同时保证良好的离子迁移率,从而有效抑制电池自放电的现象,提高电池的电化学性能。(1)氨基介孔二氧化硅纳米片(FMSiNP)夹层材料:通过氧化石墨(RO)作为模板合成介孔二氧化硅纳米片(MSiNP),使其与氨基硅烷偶联剂反应制备得氨基官能化介孔二氧化硅纳米片(FMSiNP)。以Nafion为粘合剂,通过简单的刮涂,这种二维片状材料可以在正极上形成片片紧密堆叠的夹层材料。FMSiNP上同时具备N原子和介孔结构,结合化学吸收与物理阻隔的特性,从而达到有效阻隔多硫化物迁移的目的。另外,FMSiNP其骨架具有优异的化学稳定性和丰富的介孔结构,保证了夹层材料良好的锂离子通透性。采用该功能性夹层的Li-S电池展现出良好的循环稳定性、较弱的自放电、较好的倍率性能、可观的硫利用率和较高的库伦效率。在电流速率为1.0 C时电池的初始放电容量为1080 mA h g~(-1),经过1500圈后放电容量为486 mA h g~(-1),每圈的容量衰减率为0.038%,库伦效率高达99%。变速率测试中,电流速率为4.0 C时容量可达574 mA h g~(-1),并有明显的充放电平台。(2)聚乙烯亚胺(PEI)修饰的还原氧化石墨(RGO)(PEI-RGO)夹层材料:利用GO与PEI存在强静电相互作用,有效改性PEI于GO表面,经由水合肼对GO进行还原反应得到PEI-RGO。RGO具有较好的导电性,可作为二次集流器,氨基官能团的引入使得夹层材料与多硫化物之间具有强的化学作用从而抑制多硫化物的迁移。利用黏合剂羧甲基纤维素(CMC)将PEI-RGO直接刮涂到Li-S电池正极片上,拥有该功能性夹层的Li-S电池展现出良好的循环稳定性和较高的库伦效率。在电流速率为1.0 C时电池的初始放电容量为1121 mA h g~(-1),经过300圈后放电容量为813 mA h g~(-1),容量衰减率为每圈0.091%。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB383.1;TM912
【部分图文】：

电池,基本结构,化学能,正极

实现能量的相互转化(化学能电能)，其充放电过程复杂包含多]。具体地说，放电过程，Li+通过电解液自发地迁移到正极并与正极则从外电路输送电流，实现能量转化；充电时，在外电压的作用下由不同路径迁移到锂负极，完成电能转化成化学能的过程。反应过步反应式：S8+ 2e- S82-3S82-+ 2e- 4S62-2S62-+ 2e- 3S42-S42-+ 4Li++ 2e- 2Li2S2Li2S2+ Li++ 2e- 2Li2S式：S8+ 16Li++ 16e- 8Li2S

多硫化物,效应

图 1.2 多硫化物的“穿梭效应”[23]在上述几个主要的问题，Li-S 电池距离商业化还有一段距计不仅仅是从某一方面入手，而是从各个方向进行改进。的研究现状料的研究池中，由于活性物质 S8以及 Li2S、Li2S2的电绝缘性，正极改善电子的运输。通过熔融法制备S-C复合材料，其中硫元，将电极材料在 300 C 下进行后处理以除去未与碳材料吸硫载量[32]。蒸汽渗透是另外一种有效的制备 S-C 复合物的形成，而较小的同素异形体(S2-4)在 550 C 形成，这些同素的电化学特性。这个方法也有利于硫渗透到微孔材料中。C 复合物也可以通过溶液渗透合成。在该方法中，将碳材料添

锂阳极,锂金属,探索提高,保护方法

图 1.3 锂枝晶的危害[45]，一些研究人员致力于探索提高锂阳极稳定性的方法，包括采和添加剂等在锂金属表面形成稳定的固体电解质界面(SEI)薄膜术在阳极表面形成保护膜(人工 SEI)，也探索出一些三明治型和究团队总结了锂金属的工作原理和挑战技术以及锂枝晶的形成研人员的工作也引入了许多不同的方法来增强锂阳极的稳定，隔膜和电解质[46]。最后总结了一些有效的锂阳极保护方法如图

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