高性能锂硫电池正极材料的制备与电化学性能研究
发布时间：2021-09-07 00:28
锂硫电池作为一种新型二次储能电池,硫正极比容量高达1675.0 mAh/g,且单质硫价格低廉,环保无毒,受到广泛的研究和关注。尽管锂硫电池拥有以上诸多优点,但是其商业化过程还有许多障碍,包括:单质硫电导率较低、容量衰减快、倍率性能差和多硫化物的穿梭效应等问题。针对锂硫电池正极材料存在的问题,本文以存硫、限硫、固硫的思路,设计、制备并研究了三种不同结构的硫-碳复合材料,具体研究内容如下:（1）制备了空心碳球负载硫（S@CS）复合材料作为锂硫电池正极,通过扫描电镜（SEM）,X射线衍射（XRD）以及透射电镜（TEM）等对产物形貌、组成和结构进行了表征。实验结果显示,采用模板法结合化学缩聚法合成形貌均一、单分散的空心碳球,直径约为450 nm,壁厚约为25 nm,采用熔融扩散法得到空心碳球负载硫复合材料,硫的面密度为2.67 mg/cm2。将所制备复合材料组装成电池进行电化学性能测试,结果表明初始放电容量为1285.0mAh/g,500个循环后容量为756.2 mAh/g。（2）制备了管中管碳纳米结构负载硫（S-TTCN）复合材料作为锂硫电池正极材料。实验结果显示,采用...
【文章来源】：郑州航空工业管理学院河南省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂硫电池结构
1绪论-3-图1.2锂硫电池充放电示意图但是实际中锂硫电池硫正极的电极反应过程比较复杂，产生很多中间产物，大致可以分为三步[13-15]。如图1.2所示，采用的硫单质是以８个硫原子首尾相连形成的固态环状结构（S8）。第一步反应：在放电的过程中，负极的金属Li失去电子变为Li+，正极S8环状结构打开，并与Li+结合生成Li2S8，由于Li2S8具有可溶性，会溶解在电解液中，该过程会产生锂硫电池放电的第一个平台，大概占总放电容量的30%，放电电压大概在2.3V左右；第二步反应是Li2S8向更低价的多硫化锂Li2Sn(2＜n＜8)的转化过程，在这个过程中发生的是复杂的歧化反应，但放电过程总的来说是向生成更低价的多硫化锂的方向进行，在这个过程中形成的多硫化物大多是可溶于电解液的；第三步反应是可溶于电解液的多硫化锂向不溶性的Li2Sn(n=1,2)的转变过程，该过程对应于锂硫电池的第二个放电平台，其放电电压在1.9-2.1V，这个过程中产生的放电容量是总放电容量的70%[16-20]。如果单质硫能按照总的反应过程完全转化为Li2S，硫的理论放电比容量可以高达1675mAh/g。1.2.3锂硫电池的特点由于锂硫电池具有很多目前商业化锂离子电池所不能替代的优点，引起了广泛的研究和关注。首先，硫储量丰富、价格低廉，且硫在地壳中含量为0.045%，分布范围较广，这也决定了硫的价格较低，存在着潜在商业化应用的价值。其次，硫元素对环境友好。硫及锂硫电池的放电产物是对人体和环境都是无毒无害的，因此，锂硫电池的使用不会对环境造成危害。最重要的是，硫的比能量密度和比容量
1绪论-6-试，结果表明，在0.1C的电流密度下，初始放电容量为1453.0mAh/g，200个循环之后容量稳定在948.0mAh/g。图1.3制备C-S@PANI流程图1.4锂硫电池正极复合材料的研究进展1.4.1硫-碳纳米管复合材料自从2009年Nazar课题组研发了用于锂硫电池正极的高度有序介孔碳材料之后，锂硫电池的研究有了重大的突破。制备的材料结构示意图如图1.4所示，有序介孔碳(CMK-3)作为碳支撑，采用熔融扩散的方法把硫嵌入到CMK-3中[30]。为了达到更好的接触效果，对硫与碳纳米管的复合物进行155℃热处理，在此温度下，硫具有最小的粘性，包裹在碳纳米管的外表面。与简单地混合硫碳复合物所得到的正极材料相比，这种155℃制备的硫碳纳米管复合正极表现出更小的电化学阻抗和更强的循环稳定性。图1.4CMK-3作为碳支撑制备锂硫电池正极材料从此以后，有更多关于采用不同形貌的碳纳米管来增强硫正极性能的报道出现。Kaskel课题组首先通过化学气相沉积的方法制备复合碳材料，然后把垂直排列的碳纳米管涂覆在泡沫镍上[31]。碳材料制备流程如图1.5所示，采用乙烯作为碳源，醋酸铁、醋酸钼和醋酸钴作为催化剂，加入硫溶液并在120℃充分浸泡。这样得到的碳纳米管-硫复合物可以直接作为无粘结剂的锂硫电池正极材料，在40个循环之后仍能具有稳定的放电容量800.0mAh/g。结果表明在充放电之后，碳纳米管始终能保持垂直排列，这种结构保证整个电极的截面处离子和电子能快速扩散。
本文编号：3388487
【文章来源】：郑州航空工业管理学院河南省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂硫电池结构
1绪论-3-图1.2锂硫电池充放电示意图但是实际中锂硫电池硫正极的电极反应过程比较复杂，产生很多中间产物，大致可以分为三步[13-15]。如图1.2所示，采用的硫单质是以８个硫原子首尾相连形成的固态环状结构（S8）。第一步反应：在放电的过程中，负极的金属Li失去电子变为Li+，正极S8环状结构打开，并与Li+结合生成Li2S8，由于Li2S8具有可溶性，会溶解在电解液中，该过程会产生锂硫电池放电的第一个平台，大概占总放电容量的30%，放电电压大概在2.3V左右；第二步反应是Li2S8向更低价的多硫化锂Li2Sn(2＜n＜8)的转化过程，在这个过程中发生的是复杂的歧化反应，但放电过程总的来说是向生成更低价的多硫化锂的方向进行，在这个过程中形成的多硫化物大多是可溶于电解液的；第三步反应是可溶于电解液的多硫化锂向不溶性的Li2Sn(n=1,2)的转变过程，该过程对应于锂硫电池的第二个放电平台，其放电电压在1.9-2.1V，这个过程中产生的放电容量是总放电容量的70%[16-20]。如果单质硫能按照总的反应过程完全转化为Li2S，硫的理论放电比容量可以高达1675mAh/g。1.2.3锂硫电池的特点由于锂硫电池具有很多目前商业化锂离子电池所不能替代的优点，引起了广泛的研究和关注。首先，硫储量丰富、价格低廉，且硫在地壳中含量为0.045%，分布范围较广，这也决定了硫的价格较低，存在着潜在商业化应用的价值。其次，硫元素对环境友好。硫及锂硫电池的放电产物是对人体和环境都是无毒无害的，因此，锂硫电池的使用不会对环境造成危害。最重要的是，硫的比能量密度和比容量
1绪论-6-试，结果表明，在0.1C的电流密度下，初始放电容量为1453.0mAh/g，200个循环之后容量稳定在948.0mAh/g。图1.3制备C-S@PANI流程图1.4锂硫电池正极复合材料的研究进展1.4.1硫-碳纳米管复合材料自从2009年Nazar课题组研发了用于锂硫电池正极的高度有序介孔碳材料之后，锂硫电池的研究有了重大的突破。制备的材料结构示意图如图1.4所示，有序介孔碳(CMK-3)作为碳支撑，采用熔融扩散的方法把硫嵌入到CMK-3中[30]。为了达到更好的接触效果，对硫与碳纳米管的复合物进行155℃热处理，在此温度下，硫具有最小的粘性，包裹在碳纳米管的外表面。与简单地混合硫碳复合物所得到的正极材料相比，这种155℃制备的硫碳纳米管复合正极表现出更小的电化学阻抗和更强的循环稳定性。图1.4CMK-3作为碳支撑制备锂硫电池正极材料从此以后，有更多关于采用不同形貌的碳纳米管来增强硫正极性能的报道出现。Kaskel课题组首先通过化学气相沉积的方法制备复合碳材料，然后把垂直排列的碳纳米管涂覆在泡沫镍上[31]。碳材料制备流程如图1.5所示，采用乙烯作为碳源，醋酸铁、醋酸钼和醋酸钴作为催化剂，加入硫溶液并在120℃充分浸泡。这样得到的碳纳米管-硫复合物可以直接作为无粘结剂的锂硫电池正极材料，在40个循环之后仍能具有稳定的放电容量800.0mAh/g。结果表明在充放电之后，碳纳米管始终能保持垂直排列，这种结构保证整个电极的截面处离子和电子能快速扩散。
本文编号：3388487
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