锂硫电池复合正极材料的合成与电化学性能研究
发布时间：2021-06-08 13:46
地球资源与日俱减,因而开发新一代的能源成为当代的必然要求。锂离子电池作为新一代的储能设备已经受到众多研究人员的关注与研究。但是,现行的锂离子电池正极材料依然受到制造成本高,容量小,能量密度低等缺陷的制约而限制了其进一步推广应用。与此同时,锂硫电池的出现弥补了现行锂离子电池的不足,为锂离子电池提供了更大的应用潜力。但是锂硫电池本身同时存在一定缺陷,硫单质材料本身的电子绝缘和离子绝缘的特性,充放电过程中间产物反复发生的穿梭效应与硫单质在充放电前后发生体积膨胀效应等,均对锂硫电池电极材料结构产生了较大的破坏,造成了锂硫电池充放电过程中电极材料损失严重,循环性能差的现状。针对锂硫电池面对的问题,本文主要通过制备形貌可控的分级多孔碳材料基体,控制硫材料的形貌与尺寸以及探究复合方式对电化学性能影响的设计思路,以此优化改性锂硫电池性能。具体研究内容和结果如下:（1）首先以梧桐落叶作为碳前躯体,在磷酸的活化作用下,通过更为简易的实验步骤成功制备了形貌可控的分级多孔生物质碳材料。在不同的磷酸与碳前躯体配比下,制备了一系列分级多孔碳材料,且具有良好的比表面积与孔容。将磷酸与碳前驱体的质量比为3:1和6:1...
【文章来源】：济南大学山东省
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂硫电池(a)充放电曲线和(b)工作原理
济南大学硕士学位论文9图1.2MPCSs的氮气吸脱附曲线与孔径分布常见的炭黑也是一种零维碳材料。Li等[64]利用KOH的活化作用对商业化导电炭黑(CCB)进行了水热、高温活化处理，得到A-CCB碳材料，极大提升了炭黑材料原有的比表面积与孔体积，有助于提升碳硫复合材料的电化学性能。与单质硫材料进行复合后得到复合材料S@A-CCB，在复合材料的载硫量为64%时，锂硫电池具有更好的电化学性能，在0.1C倍率下，放电容量可以达到1175mAh/g。Sun等[65]在材料的表面引入羧基官能团，对纳米炭黑颗粒(NCB)进行了表面改性，并利用沉积法，在溶液反应中完成硫材料的复合过程并制备了NCB-S@NCB结构的复合材料，在0.1C的倍率下，材料的首次放电容量达到1258mAh/g，经过100次循环后，放电比容量为865mAh/g。1.3.1.2一维碳材料一维碳材料主要包括有碳纳米纤维和碳纳米管，由于其制备过程通常涉及到高温碳化处理，因而材料通常具有较高的或者完全的石墨化程度，且轴向尺寸远大于径向尺寸，可以提供稳定且连续的导电框架[66]。碳纳米管由于具有较高的导电率(102~106S/cm)和优秀的结构稳定性等优点，因而在锂硫电池中也得到了广泛的研究与应用。Wu等[67]通过PMMA和PAN反应成功制备了具有多孔结构的碳纳米纤维，如图1.3所示，利用多孔结构对多硫化物穿梭效应与硫单质体积膨胀效应的缓解作用，以及碳纳米纤维本身良好的导电性与优秀的结构稳定性的特点，极大提升了锂硫电池的电话学性能，在0.1C倍率下，经过100次循环测试，材料的可逆比容量为780mAh/g，容量保持率为87%。Zhang等[68]通过反应制备了由碳纳米纤维和碳纳米管构成的一体化电极，制备的一体化电极具有更加优良的导电性、结构稳定性以及材料柔性，是一种三维的互联结构，可以有效提高复合材料中的硫含量以及缓?
济南大学硕士学位论文10而在电极材料的制备过程中不再需要额外引入粘结剂与集流体，从而降低了电池的总体重量。S-MWCNT复合电极材料在1C和4C倍率下的放电比容量分别为1352mAh/g和1012mAh/g。图1.3S/MhMpCFs复合材料合成过程示意图1.3.1.3二维碳材料石墨烯为主要应用于锂硫电池中的二维碳材料，具有优秀的导电性(106S/cm)，高比表面积(2600m2/g)，机械强度高，结构稳定性好等优点[70]。Zhou等[71]通过在石墨片层之间插入多孔空心碳球的方法，成功制备出了一体化电极，在一体化电极的载硫量为3.9mg/cm2时，材料在3C倍率下的充放电比容量为400mAh/g，在循环性能方面明显优于通过石墨制备得到的复合正极材料。Xiao等[72]将纳米硫材料、大分子导电聚合物以及氧化还原石墨烯进行复合，并成功制备了三元复合的一体化电极。其中，由于大分子导电聚合物具有优良的导电性与结构稳定性，制备得到的一体化电极的电化学反应速率得到明显提升，在0.2C倍率下，三元复合的一体化电极比传统的石墨烯包覆纳米硫电极拥有更高的充放电比容量以及更稳定的循环性能。Chong等[73]利用片层状的石墨烯材料经过快速干燥处理后，材料表面出现褶皱的特性，通过湿法的静电纺丝技术合成了导电性优良的柔性带状正极复合材料(rGO/GC/S)，如图1.4所示。在制备的带状复合正极材料中，由石墨烯团簇(GC)和石墨烯片层(rGO)构成的海绵状导电多孔结构，可以为锂离子和电子的快速传输提供通道，改善电极材料的倍率性能。经过测定，制备的柔性带状复合电极的整体导电率为29.4S/cm-1，在0.2C的倍率下，循环100次之后，电极材料依然具有524mAh/g的比容量。Evers等[74]通过氧化石墨烯(GO)氧化多硫化钠的方法，在溶液中经过一步反应制备得到了石墨烯-硫复合材料(GSC)。经过测定，复合材料?
【参考文献】：
期刊论文
[1]高比能锂硫电池正极材料研究进展[J]. 任逸伦,胡金龙,仲皓想,路继群,张灵志. 新能源进展. 2018(05)
[2]锂硫电池硫基复合正极材料发展综述[J]. 唐泽勋,叶红齐,韩凯,王治安. 电子元件与材料. 2017(10)
[3]锂硫电池石墨烯/硫复合正极材料的制备及其电化学性能[J]. 陈飞彪,王英男,吴伯荣,熊云奎,廖维林,吴锋,孙喆. 无机材料学报. 2014(06)
硕士论文
[1]锂硫电池硫/碳复合正极材料的研究[D]. 李振华.哈尔滨工业大学 2014
本文编号：3218583
【文章来源】：济南大学山东省
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂硫电池(a)充放电曲线和(b)工作原理
济南大学硕士学位论文9图1.2MPCSs的氮气吸脱附曲线与孔径分布常见的炭黑也是一种零维碳材料。Li等[64]利用KOH的活化作用对商业化导电炭黑(CCB)进行了水热、高温活化处理，得到A-CCB碳材料，极大提升了炭黑材料原有的比表面积与孔体积，有助于提升碳硫复合材料的电化学性能。与单质硫材料进行复合后得到复合材料S@A-CCB，在复合材料的载硫量为64%时，锂硫电池具有更好的电化学性能，在0.1C倍率下，放电容量可以达到1175mAh/g。Sun等[65]在材料的表面引入羧基官能团，对纳米炭黑颗粒(NCB)进行了表面改性，并利用沉积法，在溶液反应中完成硫材料的复合过程并制备了NCB-S@NCB结构的复合材料，在0.1C的倍率下，材料的首次放电容量达到1258mAh/g，经过100次循环后，放电比容量为865mAh/g。1.3.1.2一维碳材料一维碳材料主要包括有碳纳米纤维和碳纳米管，由于其制备过程通常涉及到高温碳化处理，因而材料通常具有较高的或者完全的石墨化程度，且轴向尺寸远大于径向尺寸，可以提供稳定且连续的导电框架[66]。碳纳米管由于具有较高的导电率(102~106S/cm)和优秀的结构稳定性等优点，因而在锂硫电池中也得到了广泛的研究与应用。Wu等[67]通过PMMA和PAN反应成功制备了具有多孔结构的碳纳米纤维，如图1.3所示，利用多孔结构对多硫化物穿梭效应与硫单质体积膨胀效应的缓解作用，以及碳纳米纤维本身良好的导电性与优秀的结构稳定性的特点，极大提升了锂硫电池的电话学性能，在0.1C倍率下，经过100次循环测试，材料的可逆比容量为780mAh/g，容量保持率为87%。Zhang等[68]通过反应制备了由碳纳米纤维和碳纳米管构成的一体化电极，制备的一体化电极具有更加优良的导电性、结构稳定性以及材料柔性，是一种三维的互联结构，可以有效提高复合材料中的硫含量以及缓?
济南大学硕士学位论文10而在电极材料的制备过程中不再需要额外引入粘结剂与集流体，从而降低了电池的总体重量。S-MWCNT复合电极材料在1C和4C倍率下的放电比容量分别为1352mAh/g和1012mAh/g。图1.3S/MhMpCFs复合材料合成过程示意图1.3.1.3二维碳材料石墨烯为主要应用于锂硫电池中的二维碳材料，具有优秀的导电性(106S/cm)，高比表面积(2600m2/g)，机械强度高，结构稳定性好等优点[70]。Zhou等[71]通过在石墨片层之间插入多孔空心碳球的方法，成功制备出了一体化电极，在一体化电极的载硫量为3.9mg/cm2时，材料在3C倍率下的充放电比容量为400mAh/g，在循环性能方面明显优于通过石墨制备得到的复合正极材料。Xiao等[72]将纳米硫材料、大分子导电聚合物以及氧化还原石墨烯进行复合，并成功制备了三元复合的一体化电极。其中，由于大分子导电聚合物具有优良的导电性与结构稳定性，制备得到的一体化电极的电化学反应速率得到明显提升，在0.2C倍率下，三元复合的一体化电极比传统的石墨烯包覆纳米硫电极拥有更高的充放电比容量以及更稳定的循环性能。Chong等[73]利用片层状的石墨烯材料经过快速干燥处理后，材料表面出现褶皱的特性，通过湿法的静电纺丝技术合成了导电性优良的柔性带状正极复合材料(rGO/GC/S)，如图1.4所示。在制备的带状复合正极材料中，由石墨烯团簇(GC)和石墨烯片层(rGO)构成的海绵状导电多孔结构，可以为锂离子和电子的快速传输提供通道，改善电极材料的倍率性能。经过测定，制备的柔性带状复合电极的整体导电率为29.4S/cm-1，在0.2C的倍率下，循环100次之后，电极材料依然具有524mAh/g的比容量。Evers等[74]通过氧化石墨烯(GO)氧化多硫化钠的方法，在溶液中经过一步反应制备得到了石墨烯-硫复合材料(GSC)。经过测定，复合材料?
【参考文献】：
期刊论文
[1]高比能锂硫电池正极材料研究进展[J]. 任逸伦,胡金龙,仲皓想,路继群,张灵志. 新能源进展. 2018(05)
[2]锂硫电池硫基复合正极材料发展综述[J]. 唐泽勋,叶红齐,韩凯,王治安. 电子元件与材料. 2017(10)
[3]锂硫电池石墨烯/硫复合正极材料的制备及其电化学性能[J]. 陈飞彪,王英男,吴伯荣,熊云奎,廖维林,吴锋,孙喆. 无机材料学报. 2014(06)
硕士论文
[1]锂硫电池硫/碳复合正极材料的研究[D]. 李振华.哈尔滨工业大学 2014
本文编号：3218583
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