锂硫电池用碳纸作为功能性隔层的性能研究

发布时间：2017-04-05 06:08

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【摘要】：随着当今世界对新能源的迫切要求,越来越多的清洁能源被应用在电力和动力设备中。锂离子电池,作为轻便、高比能、环境友好、可循环使用等优点,成为众多储能设备的首选。单质硫作为锂硫电池的正极材料,理论容量达到1675mAh g-1,理论能量密度可达到2600 Wh kg-1,在以后锂电池的发展中具有重要地位。但是由于单质硫及其充放电过程的中间产物导电性差,多硫化物在反应过程中存在穿梭效应等问题,导致正极材料的利用率一直处于较低的水平,影响着其实际应用。本文综述了锂硫电池在正极、负极、电解液中,研究者所做的努力对锂硫电池性能的提升,并对仍存在的问题进行反思。本文实验部分就锂硫电池存在的导电性差和多硫化物穿梭效应等问题,提出在正极和隔膜中间插入功能性碳纸隔层的实验方案,并对碳纸隔层和正极材料等做了形貌和电化学性能的分析。本文具体工作分为以下两个方面:首先,采用三种不同厚度的碳纸,100μm,200μm,300μm厚度的碳纸,经过碱处理裁剪成隔膜的大小,对不同厚度的碳材料进行表征,对正极所使用的材料进行测定,最后通过对三种厚度所组装的电池进行电化学性能测试,数据说明300μm厚度的碳纸具有更强的导电性和更强的对多硫化物的阻隔作用,使正极材料200周之后,CP-300所保留的容量分别是489mAh g-1,容量保持率分别为57%;其次,在碳纸隔层上原位生长上聚吡咯,对新型碳纸隔层进行测试。由于聚吡咯具有亲水性和导电性,能吸附电化学反应过程中的多硫化物,提高正极S材料的利用率所以整体性能相比没生长聚吡咯的CP体系有所提高。对于200μm厚的新型碳纸,展现最好的循环性能和倍率性能,在200周循环之后,容量仍保持在555 mAh g-1的高容量,保持率在65%,远远超过CP体系性能最良好的CP-300的57%的保持率。而在倍率性能的测试中,在5 C的时候,PPy-200仍能保持在310 mAh g-1左右的比容量,表现较好的倍率性能。这种新型的碳纸隔层的方法在以后也有很大的发展空间。
【关键词】：碳纸 隔层 锂硫电池 聚吡咯 多硫化物 导电性
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;TM912
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-25
• 1.1 引言9
• 1.2 锂硫电池简介9-11
• 1.3 锂硫电池研究进展11-20
• 1.3.1 锂硫电池正极材料研究进展11-16
• 1.3.2 锂硫电池电解液研究进展16-18
• 1.3.3 锂硫电池金属锂负极改性研究进展18-20
• 1.4 本论文研究背景及内容20-25
• 1.4.1 研究背景20-24
• 1.4.2 研究内容24-25
• 第二章 实验药品、仪器和方法25-32
• 2.1 实验药品25-26
• 2.2 实验仪器26
• 2.3 实验方法26-27
• 2.3.1 正极材料制备26-27
• 2.3.2 功能性碳纸隔层的制备27
• 2.3.3 扣式电池的组装27
• 2.4 物化性能表征27-29
• 2.4.1 热重击差热分析测试27-28
• 2.4.2 扫描电子显微镜测试28
• 2.4.3 X射线光电子能谱测试28
• 2.4.4 拉曼光谱表征28-29
• 2.5 电化学性能表征29-32
• 2.5.1 恒流充放电测试29-30
• 2.5.2 循环伏安测试30
• 2.5.3 交流阻抗测试30-32
• 第三章 碳纸作为锂硫电池隔层的研究32-40
• 3.1 引言32
• 3.2 碳纸的处理方法32-33
• 3.3 碳纸作为隔层的性能结果分析33-39
• 3.3.1 正极材料热重分析33-34
• 3.3.2 三种碳纸SEM测试34-35
• 3.3.3 交流阻抗分析35-36
• 3.3.4 首周充放电曲线36-37
• 3.3.5 充放电循环性能37-38
• 3.3.6 倍率性能38-39
• 3.4 本章小结39-40
• 第四章 改性碳纸作为锂硫电池隔层的研究40-51
• 4.1 引言40
• 4.2 改性碳纸的制备方法40
• 4.3 改性碳纸作为隔层的性能结果分析40-49
• 4.3.1 电镜测试40-42
• 4.3.2 光电子能谱的测试42-43
• 4.3.3 电化学阻抗测试43-44
• 4.3.4 首周充放电测试44-45
• 4.3.5 循环伏安测试45
• 4.3.6 循环性能测试45-47
• 4.3.7 倍率性能测试47-48
• 4.3.8 循环之后SEM测试48-49
• 4.4 本章小结49-51
• 结论51-53
• 参考文献53-60
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单60-61
• 致谢61

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