硫电池形核机理及锂负极保护研究
发布时间：2020-12-26 16:56
基于多电子氧化还原反应的锂硫电池具有极高的理论能量密度(2600 Wh kg-1),因此得到了人们的广泛关注。二硫化锂和硫化锂(Li2S2/Li2S,记作Li2S1/2)的析出沉积是提高活性物质硫利用率的关键。然而,对工作电池中Li2S1/2沉积过程的动力学影响却缺乏相关研究。锂硫电池的负极是金属锂,具有极高的理论比容量(3860 mA h g-1)和极低的还原电位（-3.04 V vs标准氢电极）,但也具有锂枝晶生长阻碍电池发展的问题。研究固态Li)S1/2的沉积同时调节Li+的沉积对提高锂硫电池的性能具有重要意义。基于以上两个问题,本工作主要分为以下两个部分:首先,探究了Li2S1/2成核/生长行为与电流密度的关系,并以此作为构建高硫负载/高硫含量锂硫电池的指导原则。研究发现,L...
【文章来源】：曲阜师范大学山东省
【文章页数】：53 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂硫电池基本配置及存在问题示意图
此时对应的第一放电平台的电压一般在2.3V；第二个阶段对应着低电压平台的还原反应：Li2Sx+Li++e-→Li2S2/Li2S(4≤x≤8)，由易溶解于电解液的液态多硫化物Li2Sx转化为固态的硫化物Li2S1/2，此时对应的第二放电平台的电压一般在2.1V。同样，锂硫电池的充电过程（属于氧化反应）对应也有两个阶段，即由固态的硫化物Li2S1/2氧化成液态的多硫化物Li2Sx(4≤x≤8)，进而氧化成Li2S8甚至S8单质。也正是由于锂硫电池是基于多电子氧化还原反应的电池体系，才使得锂硫电池具有如此高的能量密度（2600Whkg1）。如图1.2所示，若锂硫电池接通外界电路，放电时电子由锂负极通过外电路传输到硫正极，内电路则锂离子由负极到达正极参与还原反应，总还原过程为S+2Li++2e→Li2S，充电时方向正好相反。图1.2锂硫电池电压-容量曲线图。1.2锂硫电池正极研究现状随着对锂硫电池机理的深入了解，近年来众多研究者也提出并评估了一些设计策略，包括设计含硫正极材料、调节电解液性质、引入阻挡层以抑制多硫化物穿梭等。这些策略有效的促进了锂硫电池的快速发展，其容量和循环稳定性也得到了很大的提高。
第一章绪论5应是基于锂金属负极和S8正极之间的多电子氧化还原反应。如图1.3所示，在整个放电过程中，锂硫电池采用溶解/沉淀机制，活性物质首先被还原为可溶性多硫化物（LiPSs），在放电曲线上表现为第一个放电平台；然后可溶性多硫化物被进一步还原为不溶性固态硫化物（Li2S1/2），在放电曲线上表现为第二个放电平台。其中，第二个平台是由液相转变为固相的过程，其理论容量为1256mAhg1，若假设Li2S4为最低还原态的可溶性LiPSs，则1256mAhg1占整个放电过程总容量的75%，可见第二个平台对应的沉积形核过程对于电池整体容量性能的提升有着至关重要的作用。设计实用的锂硫电池需要仔细匹配活性物质和电解液配比，电绝缘固态硫化物的大量析出不可避免地减少了三相边界的总数目和长度，为后续的氧化还原反应带来了极大地电化学障碍，甚至可能在重复循环过程中导致容量的急剧下降和电池的快速失效。因此，要想进一步提高锂硫电池的能量密度，缩减其实际容量和理论容量之间的差距，必须认清第二平台液固相转化过程的机制和决定性因素，进而提出合理的解决措施和方案。图1.3锂硫电池放电时多硫化物的转变过程示意图。1.5论文框架本论文主要针对锂硫电池中硫正极和金属锂负极存在的问题展开工作，包括以下两个方面：（1）锂硫电池因其在理论能量密度和原料可持续性方面的独特优势，被广泛认为是最新一代的储能系统。然而，虽然由多硫化物中间体LiPSs向固态硫化物Li2S1/2的沉积转化过程贡献了总放电容量的75%，对电池性能的提升至关重要，但是工作条件下活性物质硫的液/固转换行为及其影响因素却很少被研究。我们在此工作中展示了电流密度依赖的Li2S1/2成核和生长行为，并为开
【参考文献】：
期刊论文
[1]Porous LiF layer fabricated by a facile chemical method toward dendrite-free lithium metal anode[J]. Yanxia Yuan,Feng Wu,Guanghai Chen,Ying Bai,Chuan Wu. Journal of Energy Chemistry. 2019(10)
[2]Recent advances in gel polymer electrolyte for high-performance lithium batteries[J]. Ming Zhu,Jiaxin Wu,Yue Wang,Mingming Song,Lei Long,Sajid Hussain Siyal,Xiaoping Yang,Gang Sui. Journal of Energy Chemistry. 2019(10)
本文编号：2940100
【文章来源】：曲阜师范大学山东省
【文章页数】：53 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂硫电池基本配置及存在问题示意图
此时对应的第一放电平台的电压一般在2.3V；第二个阶段对应着低电压平台的还原反应：Li2Sx+Li++e-→Li2S2/Li2S(4≤x≤8)，由易溶解于电解液的液态多硫化物Li2Sx转化为固态的硫化物Li2S1/2，此时对应的第二放电平台的电压一般在2.1V。同样，锂硫电池的充电过程（属于氧化反应）对应也有两个阶段，即由固态的硫化物Li2S1/2氧化成液态的多硫化物Li2Sx(4≤x≤8)，进而氧化成Li2S8甚至S8单质。也正是由于锂硫电池是基于多电子氧化还原反应的电池体系，才使得锂硫电池具有如此高的能量密度（2600Whkg1）。如图1.2所示，若锂硫电池接通外界电路，放电时电子由锂负极通过外电路传输到硫正极，内电路则锂离子由负极到达正极参与还原反应，总还原过程为S+2Li++2e→Li2S，充电时方向正好相反。图1.2锂硫电池电压-容量曲线图。1.2锂硫电池正极研究现状随着对锂硫电池机理的深入了解，近年来众多研究者也提出并评估了一些设计策略，包括设计含硫正极材料、调节电解液性质、引入阻挡层以抑制多硫化物穿梭等。这些策略有效的促进了锂硫电池的快速发展，其容量和循环稳定性也得到了很大的提高。
第一章绪论5应是基于锂金属负极和S8正极之间的多电子氧化还原反应。如图1.3所示，在整个放电过程中，锂硫电池采用溶解/沉淀机制，活性物质首先被还原为可溶性多硫化物（LiPSs），在放电曲线上表现为第一个放电平台；然后可溶性多硫化物被进一步还原为不溶性固态硫化物（Li2S1/2），在放电曲线上表现为第二个放电平台。其中，第二个平台是由液相转变为固相的过程，其理论容量为1256mAhg1，若假设Li2S4为最低还原态的可溶性LiPSs，则1256mAhg1占整个放电过程总容量的75%，可见第二个平台对应的沉积形核过程对于电池整体容量性能的提升有着至关重要的作用。设计实用的锂硫电池需要仔细匹配活性物质和电解液配比，电绝缘固态硫化物的大量析出不可避免地减少了三相边界的总数目和长度，为后续的氧化还原反应带来了极大地电化学障碍，甚至可能在重复循环过程中导致容量的急剧下降和电池的快速失效。因此，要想进一步提高锂硫电池的能量密度，缩减其实际容量和理论容量之间的差距，必须认清第二平台液固相转化过程的机制和决定性因素，进而提出合理的解决措施和方案。图1.3锂硫电池放电时多硫化物的转变过程示意图。1.5论文框架本论文主要针对锂硫电池中硫正极和金属锂负极存在的问题展开工作，包括以下两个方面：（1）锂硫电池因其在理论能量密度和原料可持续性方面的独特优势，被广泛认为是最新一代的储能系统。然而，虽然由多硫化物中间体LiPSs向固态硫化物Li2S1/2的沉积转化过程贡献了总放电容量的75%，对电池性能的提升至关重要，但是工作条件下活性物质硫的液/固转换行为及其影响因素却很少被研究。我们在此工作中展示了电流密度依赖的Li2S1/2成核和生长行为，并为开
【参考文献】：
期刊论文
[1]Porous LiF layer fabricated by a facile chemical method toward dendrite-free lithium metal anode[J]. Yanxia Yuan,Feng Wu,Guanghai Chen,Ying Bai,Chuan Wu. Journal of Energy Chemistry. 2019(10)
[2]Recent advances in gel polymer electrolyte for high-performance lithium batteries[J]. Ming Zhu,Jiaxin Wu,Yue Wang,Mingming Song,Lei Long,Sajid Hussain Siyal,Xiaoping Yang,Gang Sui. Journal of Energy Chemistry. 2019(10)
本文编号：2940100
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianlidianqilunwen/2940100.html
