纳米结构复合硫正极材料的设计、制备与电化学性能研究
发布时间：2021-06-08 17:21
锂硫电池的理论比容量和理论能量密度分别为1675 mAh g-1和2600 Wh kg-1,并且硫单质具有资源丰富、环境友好、价格低廉等优点。因此,锂硫电池被认为是最有前途的二次电池之一。但是硫单质的电导率低,反应中多硫化物的穿梭效应,倍率性能差等问题限制了锂硫电池更大规模的商业化和实际应用。纳米结构电极的设计可以充分发挥纳米结构单元的动力学优势,又体现复合结构在储锂过程中离子/电子传导、界面稳定和电化学过程稳定的设计思路,提高电池的综合性能。基于此,本文从增强硫正极锂离子传导能力和化学吸附多硫化物角度出发,设计并合成了三种新型纳米结构硫正极材料,提高锂硫电池的倍率性能和循环稳定性,主要结果如下:（1）为解决高电流密度下硫正极锂离子传输困难的问题,协同碳材料和二维V2C-Li作为载硫基质合成了柔性自支撑硫正极。该复合结构中碳材料提供导电骨架和发挥柔性载体的功能;V2C-Li作为固硫基质,利用自身极性对多硫化物的化学吸附作用可以有效地抑制穿梭效应。最重要的是锂离子嵌入的V2C-L...
【文章来源】：河北大学河北省
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂硫电池工作原理图
第一章绪论5图1-2石墨烯-硫复合材料的合成步骤示意图Fig.1-2Schematicofthesynthesisstepsforagraphene-sulfurcomposite.碳纳米管（CNTs）[43-46]作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多优异的力学、电学和化学性能。Guo[47]等人用阳极氧化铝膜作为硬模板，将聚丙烯腈的N,N-二甲基甲酰胺溶液浇灌到模板上烘干、烧结用氢氧化钠溶液去除掉氧化铝模板，得到直径大约是300nm的中空碳纳米管材料。用熔融法将硫单质浸渍到中空碳纳米管当中，制备复合硫正极材料。得到的复合硫正极材料在0.25C电流密度下循环一百圈后容量维持在750mAhg1左右，并且大大提高了电池循环的库伦效率。如图1-3所示Zhao[48]等人用多壁碳纳米管（MWNTS）[49-51]为原始材料通过包覆两层SiO2，内层为固体SiO2，外层为多孔SiO2层，并在孔中负载十八烷基三甲氧基硅烷（C18TMS）作为致孔剂和碳源。然后氩气气氛下进行煅烧，C18TMS的有机部分转化为碳，氢氧化钠溶掉SiO2获得碳管包碳管的材料（S-TTCN），通过简单的熔融法载硫之后装备电池。在500mAhg1电流密度下表现出918mAhg1的初始比容量（基于硫）或者是50次循环后容量保持在652mAhg1（基于整体材料）。这种新型的管中管的结构形成了双层的物理限域，有效的减少活性物质的损失，并且能适应反应过程中活性物质的体积变化，提高复合硫正极材料的稳定性，再加上材料整体导电性的提高，大大的提升了锂硫电池的电化学性能。
河北大学硕士论文6图1-3S-TTCN复合材料形成的示意图Fig.1-3SchematicillustrationfortheformationofS-TTCNcomposite.碳纳米纤维（CNF）[52-53]是由多层石墨片卷曲而成的纤维状纳米碳材料，具有高的强度、质轻、导热性良好及高的导电性等特性[54-55]。作为碳材料的一种碳纳米纤维也被研究人员应用到锂硫电池领域。Zheng等人[56]采用阳极氧化铝模板法[57-59]以聚苯乙烯为碳源，通过热碳化过程使得聚苯乙烯在模板上长成空心的碳纳米纤维，因为有模板的存在，所以熔融法载硫时大部分的硫都会在空心结构中，保证了大部分的活性物质都会受到物理限域的作用从而降低穿梭效应给电池性能带来的衰减，大比表面积和高导电性大大提高了活性物质的利用率。最后用氢氧化钠溶液去除掉模板得到空心碳纳米纤维载硫复合材料。150次充放电循环后，0.2C电流密度下容量保持在750mAhg1，库仑效率提高到99%以上。如图1-4，Yuan等人[60]首先通过添加聚乙二醇（PEG）的方法得到了优异分散性的空心碳纳米纤维，再通过熔融法将硫包覆在空心结构中，这种复合硫正极材料装备电池表现1135mAhg1的初始放电容量，并且在循环四十圈后容量保持率达到75.3%。图1-4中空碳纳米纤维/硫复合材料的设计和制造过程示意图Fig.1-4Schematicofdesignandfabricationprocessofhollowcarbonnanofibers/sulfurcomposite.
本文编号：3218861
【文章来源】：河北大学河北省
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂硫电池工作原理图
第一章绪论5图1-2石墨烯-硫复合材料的合成步骤示意图Fig.1-2Schematicofthesynthesisstepsforagraphene-sulfurcomposite.碳纳米管（CNTs）[43-46]作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多优异的力学、电学和化学性能。Guo[47]等人用阳极氧化铝膜作为硬模板，将聚丙烯腈的N,N-二甲基甲酰胺溶液浇灌到模板上烘干、烧结用氢氧化钠溶液去除掉氧化铝模板，得到直径大约是300nm的中空碳纳米管材料。用熔融法将硫单质浸渍到中空碳纳米管当中，制备复合硫正极材料。得到的复合硫正极材料在0.25C电流密度下循环一百圈后容量维持在750mAhg1左右，并且大大提高了电池循环的库伦效率。如图1-3所示Zhao[48]等人用多壁碳纳米管（MWNTS）[49-51]为原始材料通过包覆两层SiO2，内层为固体SiO2，外层为多孔SiO2层，并在孔中负载十八烷基三甲氧基硅烷（C18TMS）作为致孔剂和碳源。然后氩气气氛下进行煅烧，C18TMS的有机部分转化为碳，氢氧化钠溶掉SiO2获得碳管包碳管的材料（S-TTCN），通过简单的熔融法载硫之后装备电池。在500mAhg1电流密度下表现出918mAhg1的初始比容量（基于硫）或者是50次循环后容量保持在652mAhg1（基于整体材料）。这种新型的管中管的结构形成了双层的物理限域，有效的减少活性物质的损失，并且能适应反应过程中活性物质的体积变化，提高复合硫正极材料的稳定性，再加上材料整体导电性的提高，大大的提升了锂硫电池的电化学性能。
河北大学硕士论文6图1-3S-TTCN复合材料形成的示意图Fig.1-3SchematicillustrationfortheformationofS-TTCNcomposite.碳纳米纤维（CNF）[52-53]是由多层石墨片卷曲而成的纤维状纳米碳材料，具有高的强度、质轻、导热性良好及高的导电性等特性[54-55]。作为碳材料的一种碳纳米纤维也被研究人员应用到锂硫电池领域。Zheng等人[56]采用阳极氧化铝模板法[57-59]以聚苯乙烯为碳源，通过热碳化过程使得聚苯乙烯在模板上长成空心的碳纳米纤维，因为有模板的存在，所以熔融法载硫时大部分的硫都会在空心结构中，保证了大部分的活性物质都会受到物理限域的作用从而降低穿梭效应给电池性能带来的衰减，大比表面积和高导电性大大提高了活性物质的利用率。最后用氢氧化钠溶液去除掉模板得到空心碳纳米纤维载硫复合材料。150次充放电循环后，0.2C电流密度下容量保持在750mAhg1，库仑效率提高到99%以上。如图1-4，Yuan等人[60]首先通过添加聚乙二醇（PEG）的方法得到了优异分散性的空心碳纳米纤维，再通过熔融法将硫包覆在空心结构中，这种复合硫正极材料装备电池表现1135mAhg1的初始放电容量，并且在循环四十圈后容量保持率达到75.3%。图1-4中空碳纳米纤维/硫复合材料的设计和制造过程示意图Fig.1-4Schematicofdesignandfabricationprocessofhollowcarbonnanofibers/sulfurcomposite.
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