生物质多孔碳制备及其改性硫正极电化学性能研究

发布时间：2020-09-29 13:52

　　制备高比容量的电池是信息时代发展的必然要求,而硫可转移多个电子,使得锂-硫电池的比容量是普通锂离子电池的6倍以上,因此,锂-硫电池十分具有应用潜力。锂-硫电池存在硫导电性差等问题,故而如何制备导电性高、硫负载量大的正极成为锂-硫电池的关键。鸡蛋在煎蒸过程中容易产生孔隙,并且碳化后会保留氨基酸留下的极性N、O等元素。将其制备成生物质多孔碳材料并用于改性硫正极可以提高硫的导电性、为硫正极提供丰富的硫负载空间,并且吸附中间产物,从而提高电池性能。本课题分别以蛋清、蛋黄、鸡蛋为原材料,制备了一种工艺简单、可重复性高而且孔隙结构丰富、具有天然O和N极性元素掺杂的生物质多孔碳材料;并研究了碳源、碳化活化温度、活化剂浓度等因素对生物质多孔碳孔结构和电池性能的影响,从而确定出最佳的制备工艺。不仅为多孔碳材料制备提供借鉴,还为锂-硫电池的正极材料改性方向提供基础,研究结果表明:鸡蛋清多孔碳材料(AC)具有最丰富的分级孔形貌并且含有天然的O和N极性元素掺杂,其比表面积和介孔孔径分布别为693 m2·g-和3.1 nm,对多硫化锂吸附能力为0.0012 g多硫化锂/g吸附剂;蛋清多孔碳/硫(AC/S)正极材料具有最好的可逆性和最优的电化学性能,在0.05 C倍率下,放电比容量高达11115mAh·g-1。2C倍率下其倍率容量(4337mAh·g-1)较鸡蛋碳/硫(EC/S)和蛋黄碳/硫(YC/S)正极分别提高了15%和25%。0.2 C倍率下AC/S循环50次后容量保持率为77%,比EC/S和YC/S分别高出15%和11%。多孔碳孔结构和形貌调控试验表明,0.5 moL·-L-1 NaOH条件下制备的碳材料(AC-0.5M)具有最丰富的孔隙结构,用作锂-硫电池正极基体材料时,较0.4 moL·L-1和0.7 moL·L-1 NaOH的碳材料制备的正极(AC-0.4M/S和AC-0.7M/S)表现出最小的电荷转移电阻和最大的锂离子扩散系数。在2 C倍率下其倍率容量较AC-0.4M/S和AC-0.7M/S分别高出31%和19%。0.2 C倍率下循环150圈的平均比容量衰减率为0.21%。碳化温度800℃条件下制备的多孔碳改性的硫正极(AC-800/S)具有最小的电荷转移电阻(62 Ω)和最大的锂离子扩散系数;0.2 C倍率下首次放电比容量较700 ℃条件下的正极(AC-700/S)和900 ℃条件下的正极(AC-900/S)分别高出16%和11%,经过160次循环后比容量保持率比AC-700/S(AC-30min/S)具有最高的倍率稳定性,2C倍率下AC-30min/S复合材料的倍率容量较球磨60 min的和未球磨的AC多孔碳改性硫正极分别高出8%和27%。AC多孔碳制备的最佳工艺条件为:0.5 moL·L-1活化剂,碳化温度800 ℃,30 min球磨处理。此多孔碳应用于高硫负载量(4.5mg·cm-2)正极中,0.1 C倍率下的首次面容量可达4.4 mAh·cm-2,高于现己应用的锂离子电池,能稳定循环40次,具有实际应用的潜力。
【学位单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ127.11;TM912
【部分图文】：

竹炭,微观结构

竹炭微观结构图

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3图 1-2 蕨类植物碳微观结构图[18](a)-(d)不同角度的蕨类植物碳微观结构Figure 1-2 Microstructure of the fern carbon[18](a)-(d) microstructure of fern carbon at different angles外，除了结构形貌外，生物质多孔碳材料的元素组成也与所用生物质原料本身元关，由于天然生物质本身存在大量的 C、O、H、N 和 S 元素，故而以其为原料生物质多孔碳材料的主要元素组成除了碳外（约占 85 %以上），还残存少量的 O、S 等极性元素，并且这些原位极性元素可与碳元素以化学键的方式相结合形成官能团，如-OH 和-COOH 等，对生物质碳材料的吸附性能、离子交换性能等性

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西安理工大学硕士学位论文工作原理要由负极金属锂、有机电解液和硫正极构成，通过硫单现化学能与电能的相互转换，具体转换过程如图 1-3 所示个阶段：第一阶段：从更高的电压向高电压平台的转变，状 S8形式存在的固相 S8硫在电解质中溶解变为液相的 S得失，高电压平台向低电压平台的转换，该阶段活性物中和重组，环状的 S8逐步得到电子变成高阶的聚硫离子 S列的可溶于有机电解液的中间产物（Li2Sn，2<n<8 ）；电压平台范围内的 S4-2会被进一步还原成 S2-2，S2-2最溶性的 Li2S2和 Li2S。充电过程则完全相反，Li2S2或 Li2S质硫 S，同时 Li+迁移到锂负极还原成金属 Li。锂-硫电池转移数可计算得出其理论比容量为 1675 mAh·g-1是石墨的 6~11 倍[51-52]。

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