锂硫电池复合正极的结构设计与电化学性能
发布时间：2021-10-25 19:23
科技进步推动人类社会不断的发展,为了满足人类生产生活的需求,各种便携式的电子设备、大功率电动机车、高功率的移动设备相继问世。目前,锂离子电池作为能源供应系统难以满足高功率设备的需求;锂硫电池由于具有更高的能量密度且能满足高功率设备的需求,锂硫电池进入了研究的热潮。然而锂硫电池本身存在的问题阻碍了其在生产和生活中的应用,这些问题包括充放电中间产物多硫化锂的穿梭效应、硫及其放电产物硫化锂的导电性差、充放电过程中体积膨胀等。通过合理设计和构筑正极材料的结构,可以有效的解决上述问题,改善锂硫电池的循环性能。1.为了全面发挥Ni-Co硫化物作为多硫化物的吸附剂和催化剂的优势,利用泡沫镍的骨架结构,采用简单的一步水热法在泡沫镍表面上生长Ni-Co硫化物,既增加了泡沫镍的比表面并为单质硫的负载提供了空间;同时由于Ni-Co硫化物在宏观上具有完整的机械结构,保证了电极微观结构的完整性,确保Ni-Co硫化物能为多硫化物提供丰富的极性位点和催化活性位点。将其作为复合硫正极的基底,在1 C大电流密度下循环10圈后,放电比容量为1352.36 mAh g-1。2.由于Mo2
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)锂硫电池的结构和电化学机理示意图；(b)醚基电解液中锂硫电池典型的充放电
14此溶液命名为10%Co源和S源溶液。调节Co源和S源的质量为10%Co源和S源溶液中Co源和S源的两倍和三倍，分别将这两种溶液命名为20%、30%Co源和S源溶液。在10%、20%和30%Co源和S源溶液中分别放入8片干燥后的泡沫镍圆片，把混合溶液转移到反应釜，设置水热温度为160℃，时间为10h[81-82]。待反应釜冷却至室温，取出泡沫镍圆片洗涤至中性。将10%、20%和30%Co源和S源溶液所制备的产物分别定义为NF@NCS-10、NF@NCS-20和NF@NCS-30。3.2.2Ni-Co硫化物复合电极的制备称取0.2g的升华硫倒入到含有3mL二硫化碳溶液的烧杯中，用保鲜膜封住烧杯口，减少二硫化碳的挥发。将混合溶液振荡2min后，用5mL注射器吸取混合溶液，将混合溶液滴在NF@NCS-10、NF@NCS-20和NF@NCS-30基底上，控制滴加的滴数来控制基底上硫的含量。将制备的复合硫正极依次定义为S/NF@NCS-10、S/NF@NCS-20和S/NF@NCS-30。3.3结果与讨论3.3.1.NF@NCS-10、NF@NCS-20和NF@NCS-30材料表征图3.1(a)Ni@NiCo2S4(10%Co源和S源)，Ni@NiS2/Co3S4(20%Co源和S源)，Ni@Ni-Co硫化物(30%Co源和S源)的XRD图谱，(b)NiCo2S4和Co3S4(311)晶面局部放大的XRD图谱，(c)泡沫镍圆片(C1)，经过水热反应的泡沫镍圆片(C2)，负载硫的复合电极(C3)。Fig.3.1(a)XRDpatternsofNi-foam@NiCo2S4(NF@NCS-10),Ni-foam@Co3S4/NiS2(NF@NCS-20)andNi-foam@Ni-Cosulfide(NF@NCS-30).(b)XRDpartialextensionpatternof
15NF@NCS-10andNF@NCS-20at30to33°.(c)DigitalphotographsofbareNifoamwafer(C1),Ni-CosulfidegrownonNifoamwaferbyhydrothermalroute(C2),S/Ni-foam@Ni-Cosulfidewaferelectrode(C3).图3.2(a)Ni@NiCo2S4和Ni@Ni-Co硫化物的形成机理示意图。Fig.3.2(a)SchematicillustrationoftheformationprocessofNF@NCS-30andNF@NCS-10.通过采用XRD衍射技术对材料的物相组成进行分析，由图3.1(a)可知当Co源和S源的质量分数为10%，产物的衍射峰与NiCo2S4的PDF(JCPDS43-1477)卡片相匹配，表明生成的产物为NiCo2S4的二元硫化物[85]；当Co源和S源的质量分数为20%，产物的衍射峰分别与立方相的Co3S4的PDF(JCPDS73-1703)卡片和NiS2的PDF卡片(JCPDS88-1709)相匹配，表明生成的产物为Co3S4/NiS2的复合硫化物；当Co源和S源的质量分数为30%，所对应的XRD衍射峰只有镍单质的衍射峰，这可能是由于所生成的Ni-Co硫化物的结晶度较低或者是非晶态的。图3.1(d)是把NF@NCS-10中NiCo2S4和NF@NCS-20中Co3S4所对应的(311)晶面进行局部放大，从(311)晶面所对应的衍射峰中可以明显的看出NiCo2S4(311)晶面所对应的衍射峰向小角度方向迁移，排除应力的影响，由布拉格方程2dsin=可推断出，只有当Co3S4晶胞中掺入外来离子的离子半径大于Co离子的离子半径才会出现这种现象，而恰好Ni2+(0.690nm)的离子半径大于Co3+(0.545nm)；结合NiCo2S4的XPS价态分析，更进一步确定了Co源和S源的质量分数为10%，制备的产物为NiCo2S4。图3.1(c)所示的是泡沫镍圆片的实物图，经过水热反应后泡沫镍圆片表面生长了一层黑色的Ni-Co硫化物，复合泡沫镍圆片负载硫后，其表面均匀分布着一层浅黄色的升华硫。图3.2(a)为NF@NCS-10和NF@NCS-30的生长机理示意图，从图中可以看出NiCo2S4的整体结构是?
【参考文献】：
期刊论文
[1]2D hierarchical yolk-shell heterostructures as advanced host-interlayer integrated electrode for enhanced Li-S batteries[J]. Yanfeng Dong,Pengfei Lu,Haodong Shi,Jieqiong Qin,Jian Chen,Wencai Ren,Hui-Ming Cheng,Zhong-Shuai Wu. Journal of Energy Chemistry. 2019(09)
博士论文
[1]聚苯胺锂硫电池正极材料的制备与性能研究[D]. 姚玉洁.中国科学技术大学 2019
[2]金属氮化物、硼化物作为新型的硫载体材料在锂硫电池中的应用[D]. 李川川.山东大学 2019
[3]氧化钼基复合材料的制备及应用于锂硫电池研究[D]. 王春丽.中国科学技术大学 2019
硕士论文
[1]异形核壳结构锂硫电池正极材料的制备及性能研究[D]. 魏一奇.西安理工大学 2019
[2]ZIF-8衍生多孔碳基复合材料的制备及在锂硫电池中的应用[D]. 李庆福.太原理工大学 2019
本文编号：3458029
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)锂硫电池的结构和电化学机理示意图；(b)醚基电解液中锂硫电池典型的充放电
14此溶液命名为10%Co源和S源溶液。调节Co源和S源的质量为10%Co源和S源溶液中Co源和S源的两倍和三倍，分别将这两种溶液命名为20%、30%Co源和S源溶液。在10%、20%和30%Co源和S源溶液中分别放入8片干燥后的泡沫镍圆片，把混合溶液转移到反应釜，设置水热温度为160℃，时间为10h[81-82]。待反应釜冷却至室温，取出泡沫镍圆片洗涤至中性。将10%、20%和30%Co源和S源溶液所制备的产物分别定义为NF@NCS-10、NF@NCS-20和NF@NCS-30。3.2.2Ni-Co硫化物复合电极的制备称取0.2g的升华硫倒入到含有3mL二硫化碳溶液的烧杯中，用保鲜膜封住烧杯口，减少二硫化碳的挥发。将混合溶液振荡2min后，用5mL注射器吸取混合溶液，将混合溶液滴在NF@NCS-10、NF@NCS-20和NF@NCS-30基底上，控制滴加的滴数来控制基底上硫的含量。将制备的复合硫正极依次定义为S/NF@NCS-10、S/NF@NCS-20和S/NF@NCS-30。3.3结果与讨论3.3.1.NF@NCS-10、NF@NCS-20和NF@NCS-30材料表征图3.1(a)Ni@NiCo2S4(10%Co源和S源)，Ni@NiS2/Co3S4(20%Co源和S源)，Ni@Ni-Co硫化物(30%Co源和S源)的XRD图谱，(b)NiCo2S4和Co3S4(311)晶面局部放大的XRD图谱，(c)泡沫镍圆片(C1)，经过水热反应的泡沫镍圆片(C2)，负载硫的复合电极(C3)。Fig.3.1(a)XRDpatternsofNi-foam@NiCo2S4(NF@NCS-10),Ni-foam@Co3S4/NiS2(NF@NCS-20)andNi-foam@Ni-Cosulfide(NF@NCS-30).(b)XRDpartialextensionpatternof
15NF@NCS-10andNF@NCS-20at30to33°.(c)DigitalphotographsofbareNifoamwafer(C1),Ni-CosulfidegrownonNifoamwaferbyhydrothermalroute(C2),S/Ni-foam@Ni-Cosulfidewaferelectrode(C3).图3.2(a)Ni@NiCo2S4和Ni@Ni-Co硫化物的形成机理示意图。Fig.3.2(a)SchematicillustrationoftheformationprocessofNF@NCS-30andNF@NCS-10.通过采用XRD衍射技术对材料的物相组成进行分析，由图3.1(a)可知当Co源和S源的质量分数为10%，产物的衍射峰与NiCo2S4的PDF(JCPDS43-1477)卡片相匹配，表明生成的产物为NiCo2S4的二元硫化物[85]；当Co源和S源的质量分数为20%，产物的衍射峰分别与立方相的Co3S4的PDF(JCPDS73-1703)卡片和NiS2的PDF卡片(JCPDS88-1709)相匹配，表明生成的产物为Co3S4/NiS2的复合硫化物；当Co源和S源的质量分数为30%，所对应的XRD衍射峰只有镍单质的衍射峰，这可能是由于所生成的Ni-Co硫化物的结晶度较低或者是非晶态的。图3.1(d)是把NF@NCS-10中NiCo2S4和NF@NCS-20中Co3S4所对应的(311)晶面进行局部放大，从(311)晶面所对应的衍射峰中可以明显的看出NiCo2S4(311)晶面所对应的衍射峰向小角度方向迁移，排除应力的影响，由布拉格方程2dsin=可推断出，只有当Co3S4晶胞中掺入外来离子的离子半径大于Co离子的离子半径才会出现这种现象，而恰好Ni2+(0.690nm)的离子半径大于Co3+(0.545nm)；结合NiCo2S4的XPS价态分析，更进一步确定了Co源和S源的质量分数为10%，制备的产物为NiCo2S4。图3.1(c)所示的是泡沫镍圆片的实物图，经过水热反应后泡沫镍圆片表面生长了一层黑色的Ni-Co硫化物，复合泡沫镍圆片负载硫后，其表面均匀分布着一层浅黄色的升华硫。图3.2(a)为NF@NCS-10和NF@NCS-30的生长机理示意图，从图中可以看出NiCo2S4的整体结构是?
【参考文献】：
期刊论文
[1]2D hierarchical yolk-shell heterostructures as advanced host-interlayer integrated electrode for enhanced Li-S batteries[J]. Yanfeng Dong,Pengfei Lu,Haodong Shi,Jieqiong Qin,Jian Chen,Wencai Ren,Hui-Ming Cheng,Zhong-Shuai Wu. Journal of Energy Chemistry. 2019(09)
博士论文
[1]聚苯胺锂硫电池正极材料的制备与性能研究[D]. 姚玉洁.中国科学技术大学 2019
[2]金属氮化物、硼化物作为新型的硫载体材料在锂硫电池中的应用[D]. 李川川.山东大学 2019
[3]氧化钼基复合材料的制备及应用于锂硫电池研究[D]. 王春丽.中国科学技术大学 2019
硕士论文
[1]异形核壳结构锂硫电池正极材料的制备及性能研究[D]. 魏一奇.西安理工大学 2019
[2]ZIF-8衍生多孔碳基复合材料的制备及在锂硫电池中的应用[D]. 李庆福.太原理工大学 2019
本文编号：3458029
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