高性能锂硫电池隔膜修饰材料的制备及电化学性能研究
发布时间：2021-03-10 15:54
锂硫（Li-S）电池因其高理论比容量(1675 mAh g-1)、高能量密度(2600 Wh kg-1)、低成本和绿色环保等优点,近年来引起了广泛关注。然而,可溶性中间产物多硫化物（Li PSs）的穿梭效应导致了活性物质的损失和缓慢的氧化还原反应动力学,从而影响锂硫电池的循环稳定性和倍率性能。本论文将碳化钛（Ti3C2Tx）材料应用于锂硫电池的正极及隔膜修饰,并合理设计3D Ti3C2Tx气凝胶结构修饰隔膜,有效地抑制了Li PSs的穿梭效应,实现了优异的电化学性能。具体研究内容如下:我们设计并制备了三维Ti3C2Tx气凝胶改性隔膜应用于Li-S电池。Ti3C2Tx气凝胶的这种特殊结构,不仅有效地避免了二维Ti3C2Tx
【文章来源】：哈尔滨师范大学黑龙江省
【文章页数】：40 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Ti3C2Tx/S正极的元素Mapping图像(Ti、C和S元素)
哈尔滨师范大学硕士学位论文8图2-1.合成Ti3C2Tx/S正极的流程图Fig.2-1SchematicillustrationofthesynthesisprocessoftheTi3C2Tx/Scomposites.如图2-2(a)所示为Ti3C2Tx的SEM照片，可以观察到许多Ti3C2Tx纳米片，大小约在几百纳米到三微米左右。如图2-2(b)所示，硫单质均是以直径约为400nm的球形颗粒形貌存在。将Ti3C2Tx和硫以液相混合的方式搅拌均匀，抽滤得到Ti3C2Tx和S的混合物，如图2-2(c)所示，Ti3C2Tx外层被硫颗粒紧密包裹，看不到Ti3C2Tx的片层结构。将其在Ar保护气环境下155℃加热12小时，使硫完全融化、包覆在Ti3C2Tx表面。从图2-2(d)中可以看到硫颗粒消失了，并且在边缘处能看到Ti3C2Tx的片层结构。同时对Ti3C2Tx/S做了Ti、C、S元素分布分析（图2-3），观察到元素Ti、C、S的分布轮廓完全吻合，进一步证实了经过155℃热处理后硫均匀包覆在Ti3C2Tx表面，Ti3C2Tx/S正极复合材料制备成功。图2-2(a)Ti3C2Tx、(b)S、(c)Ti3C2Tx和S复合材料和(d)Ti3C2Tx/S正极的SEM图像。Fig.2-2SEMimagesof(a)Ti3C2Tx,(b)S,(c)Ti3C2TxandScompositeand(d)Ti3C2Tx/S.图2-3Ti3C2Tx/S正极的元素Mapping图像(Ti、C和S元素)。Fig.2-3Elementalmappingimages(Ti,CandSelements)ofTi3C2Tx/Sascathode.
第2章Ti3C2Tx/S电极的制备及其表征9为了进一步阐明Ti3C2Tx/S正极材料的详细结构信息和组成，对Ti3C2Tx/S、Ti3C2Tx、S和原始Ti3AlC2进行XRD测试，如图2-4(a)展示。红色XRD图谱中6.0°处的强峰为Ti3C2Tx的(002)衍射峰，而且与Ti3AlC2峰位对比，没有出现Ti3AlC2的特征峰，说明Ti3AlC2已经被完全腐蚀成Ti3C2Tx。Ti3C2Tx/S的XRD图谱包含了Ti3C2Tx和S的特征衍射峰，进一步说明了Ti3C2Tx/S复合材料的形成。如图2-4(b)所示，在氮气氛围下，对Ti3C2Tx/S复合材料进行差热测试，测定Ti3C2Tx/S中硫含量为50%。图2-4(a)Ti3C2Tx/S,Ti3C2Tx,S和Ti3AlC2的XRD衍射峰,(b)氮气保护气环境下Ti3C2Tx/S复合材料和硫单质的TGA曲线。Fig.2-4(a)XRDpattersofTi3C2Tx/S,Ti3C2Tx,SandTi3AlC2.(b)TGAcurveoftheTi3C2Tx/ScompositeandsulfurunderN2atmosphere.2.2.2Ti3C2Tx/S正极电池的电化学性能分析Ti3C2Tx作为硫的基质材料可以提高正极导电性并起到化学锚定LiPSs的作用。以Ti3C2Tx/S为正极，金属锂箔为负极，组装成CR2032纽扣电池（命名为Ti3C2Tx/S-I）进行电化学性能测试。这项工作中所有电池的放电比容量都是根据活性物质硫的质量来计算的。如图2-5所示，Ti3C2Tx/S-I电池的CV曲线在0.1mVs-1的扫速下，在1.7-2.8V的电压范围内测试获得。在2.27V和2V观察到两个典型的还原峰（i和ii），分别对应于从单质硫到可溶性长链LiPSs（Li2Sn,4≤n≤8），再到不溶性固态Li2S2/Li2S的多步还原反应。在充电过程中，峰位在2.38-2.43V范围内的氧化峰（iii和iv）是由于Li2S2/Li2S转化为LiPSs，并进一步将LiPSs氧化为硫的过程。
本文编号：3074902
【文章来源】：哈尔滨师范大学黑龙江省
【文章页数】：40 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Ti3C2Tx/S正极的元素Mapping图像(Ti、C和S元素)
哈尔滨师范大学硕士学位论文8图2-1.合成Ti3C2Tx/S正极的流程图Fig.2-1SchematicillustrationofthesynthesisprocessoftheTi3C2Tx/Scomposites.如图2-2(a)所示为Ti3C2Tx的SEM照片，可以观察到许多Ti3C2Tx纳米片，大小约在几百纳米到三微米左右。如图2-2(b)所示，硫单质均是以直径约为400nm的球形颗粒形貌存在。将Ti3C2Tx和硫以液相混合的方式搅拌均匀，抽滤得到Ti3C2Tx和S的混合物，如图2-2(c)所示，Ti3C2Tx外层被硫颗粒紧密包裹，看不到Ti3C2Tx的片层结构。将其在Ar保护气环境下155℃加热12小时，使硫完全融化、包覆在Ti3C2Tx表面。从图2-2(d)中可以看到硫颗粒消失了，并且在边缘处能看到Ti3C2Tx的片层结构。同时对Ti3C2Tx/S做了Ti、C、S元素分布分析（图2-3），观察到元素Ti、C、S的分布轮廓完全吻合，进一步证实了经过155℃热处理后硫均匀包覆在Ti3C2Tx表面，Ti3C2Tx/S正极复合材料制备成功。图2-2(a)Ti3C2Tx、(b)S、(c)Ti3C2Tx和S复合材料和(d)Ti3C2Tx/S正极的SEM图像。Fig.2-2SEMimagesof(a)Ti3C2Tx,(b)S,(c)Ti3C2TxandScompositeand(d)Ti3C2Tx/S.图2-3Ti3C2Tx/S正极的元素Mapping图像(Ti、C和S元素)。Fig.2-3Elementalmappingimages(Ti,CandSelements)ofTi3C2Tx/Sascathode.
第2章Ti3C2Tx/S电极的制备及其表征9为了进一步阐明Ti3C2Tx/S正极材料的详细结构信息和组成，对Ti3C2Tx/S、Ti3C2Tx、S和原始Ti3AlC2进行XRD测试，如图2-4(a)展示。红色XRD图谱中6.0°处的强峰为Ti3C2Tx的(002)衍射峰，而且与Ti3AlC2峰位对比，没有出现Ti3AlC2的特征峰，说明Ti3AlC2已经被完全腐蚀成Ti3C2Tx。Ti3C2Tx/S的XRD图谱包含了Ti3C2Tx和S的特征衍射峰，进一步说明了Ti3C2Tx/S复合材料的形成。如图2-4(b)所示，在氮气氛围下，对Ti3C2Tx/S复合材料进行差热测试，测定Ti3C2Tx/S中硫含量为50%。图2-4(a)Ti3C2Tx/S,Ti3C2Tx,S和Ti3AlC2的XRD衍射峰,(b)氮气保护气环境下Ti3C2Tx/S复合材料和硫单质的TGA曲线。Fig.2-4(a)XRDpattersofTi3C2Tx/S,Ti3C2Tx,SandTi3AlC2.(b)TGAcurveoftheTi3C2Tx/ScompositeandsulfurunderN2atmosphere.2.2.2Ti3C2Tx/S正极电池的电化学性能分析Ti3C2Tx作为硫的基质材料可以提高正极导电性并起到化学锚定LiPSs的作用。以Ti3C2Tx/S为正极，金属锂箔为负极，组装成CR2032纽扣电池（命名为Ti3C2Tx/S-I）进行电化学性能测试。这项工作中所有电池的放电比容量都是根据活性物质硫的质量来计算的。如图2-5所示，Ti3C2Tx/S-I电池的CV曲线在0.1mVs-1的扫速下，在1.7-2.8V的电压范围内测试获得。在2.27V和2V观察到两个典型的还原峰（i和ii），分别对应于从单质硫到可溶性长链LiPSs（Li2Sn,4≤n≤8），再到不溶性固态Li2S2/Li2S的多步还原反应。在充电过程中，峰位在2.38-2.43V范围内的氧化峰（iii和iv）是由于Li2S2/Li2S转化为LiPSs，并进一步将LiPSs氧化为硫的过程。
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