基于碳纳米结构的锂硫正极材料设计及性能研究
发布时间：2021-09-17 12:05
锂硫电池作为最有前途的下一代储能系统之一。多硫化锂的溶解所引起的穿梭效应和充电放电过程中缓慢的氧化还原反应动力学显著降低了锂硫电池的循环寿命和硫的利用率,进而限制了它在商业中的应用。为了克服硫正极固有的问题,人们付出了巨大的努力开发新型硫复合材料并取得了一定的进展。然而,进行有效的构建高导电和高催化特性的固硫载体仍然是一个挑战。本文主要围绕着基于碳纳米结构开发廉价高效的催化剂、构建合理稳定的载硫结构和设计具有高效协同作用的组分等方面进行研究以提高锂硫电池的电化学性能,同时对锂硫电池的吸附-催化协同机理进行了阐述,另外通过理论计算和非原位X-射线光电子能谱等手段深入理解催化剂对多硫化物的作用机制。具体研究内容及结果如下:（1）基于氮掺杂碳纳米片负载FeS2纳米颗粒的锂硫电池正极性能研究。针对锂硫电池中硫利用率低和多硫化物溶解等问题,我们提出了利用高电子导电的氮掺杂碳纳米片和廉价的无机FeS2纳米颗粒复合的策略。实验结果表明FeS2对多硫化锂不但具有很强的吸附能力,而且能够催化多硫化锂的转化。同时,理论计算进一步揭示了FeS...
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：105 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)电池市场的未来发展及(b)现阶段电池技术水平及研究方向[9]
基于碳纳米结构的锂硫正极材料设计及性能研究2成本和大的能量密度,很快征服了电子产品市场先于其他竞争对手[7]。尽管如此,随着技术的发展和在电动汽车领域的应用，锂离子电池已经不能满足高能量密度电子器件不断更新的要求，且锂离子电池技术的发展已经到达了瓶颈。研究表明在未来的十年内电动汽车的市场将快速增长，对电池的需求也会进一步的增加(图1-1a)[8]。由于能量密度低于250Whkg1是无法满足当下智能电网和电动汽车等储能器件的高比能量要求，并阻碍了这些储能系统在各种新兴领域的应用普及和部署。因此，为了适应社会快速发展的需求，研究者们需要尽快开发出具有高比容量或比能量的新材料种类或储能系统[9]。目前，新兴的电池类储能系统主要有锂硫电池和燃料电池等，而燃料电池面临的问题相对较多，离实用化还有一段距离[10]。锂硫电池通过正极单质硫和负极锂之间基于一种氧化还原反应的多电子转换机制来储存/释放电能,锂金属和单质硫的结合产生的理论比能量高达2600Whkg1，这几乎是目前的商用锂离子二次电池容量的四倍及以上(图1-1b)[5]。此外，单质硫在自然界中分布广泛、储量丰富和制取工艺简单，且对环境友好，使得锂硫电池成为一种绿色、低成本的选择[11]。由于大量研究者的努力使得锂硫电池技术比其他新型电池有进步进而更接近实际生产和应用。因此，锂硫电池是新一代最具应用前景的储能系统之一[12]。更重要的是，锂硫电池系统与锂离子电池相似，就电池制造而言可以更经济地实现锂离子向锂硫电池的过渡，实现现代清洁能源与绿色产业的快速发展。1.2锂硫电池简介1.2.1锂硫电池的结构组成和优势图1-2锂硫电池结构组成示意图[13]Fig.1-2Schematicdiagramoflithium-sulfurbattery[13].
青岛科技大学研究生学位论文3典型的锂硫电池由硫正极、金属锂负极、有机电解质和隔膜组成，其结构组成如图1-2所示[13]。在电池的充/放电过程中，单质硫和锂离子直接进行氧化还原反应。与锂离子电池相比，锂硫电池更具有优势：(1)理论比容量和比能量高。硫作为一种电化学活性材料，在相对于Li/Li+约2.1V的电压下，每个硫原子最多可以接受两个锂离子。这使得硫正极电池展现出较高的理论比容量和能量密度，分别达到了1675mAhg1和2600Whkg1，这是目前锂离子电池容量的的四倍以上[14]。(2)正极材料成本低廉。硫作为地球上储量最丰富的元素之一，低成本的硫取代了昂贵的过渡金属如钴和某些有毒的过渡金属化合物[15]。(3)低毒、环境友好。目前商用得锂离子二次电池得正极一般含有重金属元素，在回收循环使用得过程中，容易造成重金属得泄露等问题，对自然环境和人类健康危害比较大。锂硫电池正极硫污染小，生产操作危害小，利于大规模制造和回收再加工使用。1.2.2锂硫电池工作的基本原理图1-3锂硫电池充放电曲线和活性硫在这个过程固-液-固转化特征[17]Fig.1-3Charge-dischargecurveoflithium-sulfurbatteryandsolid-liquid-solidconversionprocessinvolvingactivematerials[17].锂硫电池不同于传统的嵌入与脱嵌、插入与脱插模式的锂离子二次电池，而是通过正极单质硫和负极锂之间的化学能来储存/释放电能[16]。硫通常以不同结构的多原子分子的形式存在，八环硫(S8)是室温下硫最稳定的同素异形体。其在发生还原反应的过程中会转化为一系列的中间产物，由于这些产物易溶于电解液这一特征，使得锂硫电池在商业化上受到严重挑战。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Concrete-like high sulfur content cathodes with enhanced electrochemical performance for lithium-sulfur batteries[J]. Bolan Gan,Kaikai Tang,Yali Chen,Dandan Wang,Na Wang,Wenxian Li,Yong Wang,Hao Liu,Guoxiu Wang. Journal of Energy Chemistry. 2020(03)
本文编号：3398687
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：105 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)电池市场的未来发展及(b)现阶段电池技术水平及研究方向[9]
基于碳纳米结构的锂硫正极材料设计及性能研究2成本和大的能量密度,很快征服了电子产品市场先于其他竞争对手[7]。尽管如此,随着技术的发展和在电动汽车领域的应用，锂离子电池已经不能满足高能量密度电子器件不断更新的要求，且锂离子电池技术的发展已经到达了瓶颈。研究表明在未来的十年内电动汽车的市场将快速增长，对电池的需求也会进一步的增加(图1-1a)[8]。由于能量密度低于250Whkg1是无法满足当下智能电网和电动汽车等储能器件的高比能量要求，并阻碍了这些储能系统在各种新兴领域的应用普及和部署。因此，为了适应社会快速发展的需求，研究者们需要尽快开发出具有高比容量或比能量的新材料种类或储能系统[9]。目前，新兴的电池类储能系统主要有锂硫电池和燃料电池等，而燃料电池面临的问题相对较多，离实用化还有一段距离[10]。锂硫电池通过正极单质硫和负极锂之间基于一种氧化还原反应的多电子转换机制来储存/释放电能,锂金属和单质硫的结合产生的理论比能量高达2600Whkg1，这几乎是目前的商用锂离子二次电池容量的四倍及以上(图1-1b)[5]。此外，单质硫在自然界中分布广泛、储量丰富和制取工艺简单，且对环境友好，使得锂硫电池成为一种绿色、低成本的选择[11]。由于大量研究者的努力使得锂硫电池技术比其他新型电池有进步进而更接近实际生产和应用。因此，锂硫电池是新一代最具应用前景的储能系统之一[12]。更重要的是，锂硫电池系统与锂离子电池相似，就电池制造而言可以更经济地实现锂离子向锂硫电池的过渡，实现现代清洁能源与绿色产业的快速发展。1.2锂硫电池简介1.2.1锂硫电池的结构组成和优势图1-2锂硫电池结构组成示意图[13]Fig.1-2Schematicdiagramoflithium-sulfurbattery[13].
青岛科技大学研究生学位论文3典型的锂硫电池由硫正极、金属锂负极、有机电解质和隔膜组成，其结构组成如图1-2所示[13]。在电池的充/放电过程中，单质硫和锂离子直接进行氧化还原反应。与锂离子电池相比，锂硫电池更具有优势：(1)理论比容量和比能量高。硫作为一种电化学活性材料，在相对于Li/Li+约2.1V的电压下，每个硫原子最多可以接受两个锂离子。这使得硫正极电池展现出较高的理论比容量和能量密度，分别达到了1675mAhg1和2600Whkg1，这是目前锂离子电池容量的的四倍以上[14]。(2)正极材料成本低廉。硫作为地球上储量最丰富的元素之一，低成本的硫取代了昂贵的过渡金属如钴和某些有毒的过渡金属化合物[15]。(3)低毒、环境友好。目前商用得锂离子二次电池得正极一般含有重金属元素，在回收循环使用得过程中，容易造成重金属得泄露等问题，对自然环境和人类健康危害比较大。锂硫电池正极硫污染小，生产操作危害小，利于大规模制造和回收再加工使用。1.2.2锂硫电池工作的基本原理图1-3锂硫电池充放电曲线和活性硫在这个过程固-液-固转化特征[17]Fig.1-3Charge-dischargecurveoflithium-sulfurbatteryandsolid-liquid-solidconversionprocessinvolvingactivematerials[17].锂硫电池不同于传统的嵌入与脱嵌、插入与脱插模式的锂离子二次电池，而是通过正极单质硫和负极锂之间的化学能来储存/释放电能[16]。硫通常以不同结构的多原子分子的形式存在，八环硫(S8)是室温下硫最稳定的同素异形体。其在发生还原反应的过程中会转化为一系列的中间产物，由于这些产物易溶于电解液这一特征，使得锂硫电池在商业化上受到严重挑战。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Concrete-like high sulfur content cathodes with enhanced electrochemical performance for lithium-sulfur batteries[J]. Bolan Gan,Kaikai Tang,Yali Chen,Dandan Wang,Na Wang,Wenxian Li,Yong Wang,Hao Liu,Guoxiu Wang. Journal of Energy Chemistry. 2020(03)
本文编号：3398687
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