锂硫电池正极材料的改性及其电化学性能研究

发布时间：2017-04-05 18:15

  本文关键词：锂硫电池正极材料的改性及其电化学性能研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：能源是本世纪关注的焦点问题,安全高效、环境友好型的储能系统是能源问题中亟待解决的一个。锂离子电池因其高能量密度、高电压、绿色环保及使用寿命长等众多优势,使其成为不可替代的一种储能系统。自1991年索尼公司成功将锂离子电池商业化,迄今为止,锂离子电池已发展成为二次电池领域中的霸主。然而,受限于现行商业应用,理论容量较低的正极材料,使得锂离子电池容量的研究停滞不前,逐渐无法满足对高能量锂离子电池的需求。单质硫因储量丰富廉价、安全无害且具有超高比容量,使其成为最具发展潜力的新型正极材料。然而将单质硫作为正极材料应用于锂硫电池中,使锂硫电池实现大规模商业化生产,仍然面临诸多问题。比如单质硫在放电过程中的体积膨胀、单质硫作为一个绝缘体缺少良好的导电性以及在充放电过程中反应中间产物的高溶解性所产生的飞梭效应等。为此,对锂硫电池的单质硫正极材料进行改性,较常见的方法是使硫与导电性良好的材料复合或者对硫进行包覆处理。碳纳米管是一种具有优良机械性能和良好导电性能的碳质材料,广泛应用于锂离子电池领域。而同样具有一维中空管状结构的非石墨化碳纳米管(一种具有管状结构的纳米级不定形碳),因其较高的导电性可以代替碳纳米管作为锂硫电池中的载硫基底。本文中,利用管状聚吡咯这种导电聚合物作为前驱体,高温热解得到非石墨化碳纳米管,并用其作为载硫基底制备复合材料,同时测试其电化学性能。本文的主要研究内容及结果如下:(1)利用甲基橙作为模板,常温合成管状聚吡咯,在900℃下热解聚吡咯,获得管径缩小,管状形貌保持不变的非石墨化碳纳米管(NGCNTs)。之后,热处理制备出4:6和3:7,NGCNTs与单质硫不同质量比的复合材料,即H-NGCNTs/S(4:6)和H-NGCNTs/S(3:7)复合材料。经电化学测试,得到NGCNTs与单质硫的质量比为4:6时电化学性能最佳。根据最佳的复合比例,将NGCNTs与单质硫先进行球磨混合而后利用热处理复合制备出B+H-NGCNTs/S复合材料。电化学测试结果表明B+H-NGCNTs/S复合材料具有良好的性能,在335 m A g-1的电流密度测试下,其首圈放电容量为1202.1 m Ah g-1sulfur,50圈后容量剩余625.9 m Ah g-1sulfur。(2)用KOH对NGCNTs进行活化处理,获得富有孔隙和缺陷的NGCNTs(K-NGCNTs),并用其作为基底,采用球磨使K-NGCNTs与单质硫进行混合,而后热处理制备出K-NGCNTs/S复合材料。在335 m A g-1的电流密度下进行电化学测试,测试结果显示了K-NGCNTs/S复合材料优良的电化学性能,其初次放电容量为1121.9 m Ah g 1sulfur,50圈后,放电容量仍保持为729.7 m Ah g 1sulfur。
【关键词】：锂硫电池 正极材料 聚吡咯 非石墨化碳纳米管 K-NGCNTs
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O646;TM912
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 第1章 绪论13-32
• 1.1 前言13-14
• 1.2 锂离子电池简介14-17
• 1.2.1 锂离子电池的发展14-15
• 1.2.2 锂离子电池的工作原理15-17
• 1.3 锂硫电池简介17-19
• 1.3.1 锂硫电池原理17-18
• 1.3.2 锂硫电池的挑战18-19
• 1.4 锂硫电池正极材料的改性19-29
• 1.4.1 多孔碳-硫复合材料19-21
• 1.4.2 碳纳米管-硫复合材料21-23
• 1.4.3 石墨烯(氧化物)-硫复合材料23-25
• 1.4.4 导电聚合物-硫复合材料25-27
• 1.4.5 金属及其化合物-硫复合材料27-29
• 1.5 锂硫电池电解液29-30
• 1.5.1 锂盐29
• 1.5.2 有机溶剂29-30
• 1.5.3 添加剂30
• 1.6 本文的主要研究内容30-32
• 第2章 实验部分32-38
• 2.1 实验药品及仪器32-33
• 2.1.1 实验药品32
• 2.1.2 实验仪器32-33
• 2.2 材料的性质表征33-35
• 2.2.1 红外光谱分析33-34
• 2.2.2 X射线衍射分析34
• 2.2.3 拉曼光谱分析34
• 2.2.4 扫描电子显微镜34
• 2.2.5 能谱分析34-35
• 2.2.6 透射电子显微镜35
• 2.2.7 热重分析35
• 2.3 电极的制备及电池的组装35-37
• 2.3.1 电极的制备35-36
• 2.3.2 电池的组装36-37
• 2.4 电化学性能测试37-38
• 2.4.1 充放电测试37
• 2.4.2 循环伏安测试37
• 2.4.3 交流阻抗测试37-38
• 第3章 B+H-NGCNTs/S复合材料的制备与电化学性能研究38-55
• 3.1 引言38-39
• 3.2 实验部分39-40
• 3.2.1 非石墨化碳纳米管的制备39
• 3.2.2 复合材料的制备39-40
• 3.2.3 电池的组装和测试条件40
• 3.3 管状聚吡咯的表征40-42
• 3.3.1 红外光谱分析40-41
• 3.3.2 扫描电镜分析41
• 3.3.3 透射电镜分析41-42
• 3.4 非石墨化碳纳米管的表征42-44
• 3.4.1 X射线衍射分析42
• 3.4.2 拉曼光谱分析42-43
• 3.4.3 扫描电镜分析43
• 3.4.4 透射电镜分析43-44
• 3.5 复合材料的表征44-47
• 3.5.1 X射线衍射分析44
• 3.5.2 拉曼光谱分析44-45
• 3.5.3 热重分析45
• 3.5.4 扫描电镜分析45-47
• 3.5.5 EDS能谱分析47
• 3.6 电化学性能测试47-53
• 3.6.1 伏安曲线47-49
• 3.6.2 充放电曲线49-50
• 3.6.3 循环特性曲线50-51
• 3.6.4 倍率特性曲线51-52
• 3.6.5 交流阻抗谱52-53
• 3.7 本章小结53-55
• 第4章 K-NGCNTs/S复合材料的制备与电化学性能研究55-66
• 4.1 引言55
• 4.2 实验部分55-56
• 4.2.1 K-NGCNTs/S复合材料的制备55-56
• 4.2.2 电池组装和测试条件56
• 4.3 K-NGC/S复合材料的表征56-61
• 4.3.1 X射线衍射分析56-57
• 4.3.2 拉曼光谱分析57
• 4.3.3 热重分析57-58
• 4.3.4 扫描电镜分析58-59
• 4.3.5 EDS能谱分析59-60
• 4.3.6 透射电镜分析60-61
• 4.4 电化学性能测试61-65
• 4.4.1 伏安曲线61
• 4.4.2 充放电曲线61-62
• 4.4.3 循环特性曲线62-63
• 4.4.4 速率特性曲线63-64
• 4.4.5 交流阻抗谱64-65
• 4.5 本章小结65-66
• 第5章 全文总结66-67
• 参考文献67-75
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果75-76
• 致谢76

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  本文关键词：锂硫电池正极材料的改性及其电化学性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

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