锂硫电池正极制备工艺的优化及空间作用调控
发布时间：2021-11-10 01:32
在过程装备与控制工程的要求中对化工工艺基础的掌握非常重视,因为任何化工工艺的好坏都将直接或间接的影响生产结果的优劣。近年来,我国能源结构侧改革不断推进,环保新能源逐步取代石油能源供给成为市场的生力军。像电动汽车、人工智能机器人、无线网络通讯基站等新兴产品走向舞台,而这些产品能够健康运行依靠的动力装置就是新能源技术中的一种---锂离子电池。经过研究者们对电池工艺的不断优化探索发现,在锂离子电池中锂硫电池的理论比容量和能量密度都远远大于传统的锂离子电池。所以,为了降低环境的污染、提高电池的比容量和循环稳定性能,获得更迅速的电能转化,实现其轻便化和成本的缩减。本文以累托石为研究对象,运用热处理碳化工艺、等浸渍催化工艺、自清洁包覆工艺制备了碳硫复合材料应用于锂硫电池的正极。实验中利用XRD、BET、SEM、TG等多种方法研究了碳硫复合材料的表面形貌和结构组成,研究探讨了其导电性、吸附性和活性物质利用率的原因。结合电化学测试,研究了该碳硫复合材料在电池充放电过程中的电化学性能影响;利用控制变量法,优化了不同工艺影响的最佳条件。本文的主要内容和实验结果如下:（1）以酸洗累托石为研究对象,选取蔗糖的...
【文章来源】：江汉大学湖北省
【文章页数】：107 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Li–S电池和锂离子电池的容量密度和能量密度的比较
江汉大学硕士研究生学位论文第3页看起来复杂得多。硫以八个硫原子构成的环状分子（环-S8）存在，这是由于该状态是室温下最稳定。在放电过程中，有许多中间反应产物（Li2Sn，8>n>2）能够溶于电解质中，还会引起“穿梭效应”并降低活性物质的利用率。在锂电池的真实反应过程中，多硫化物的电化学还原过程实际上是非常复杂的，并且多硫化物共存于反应过程中。这也根据所使用的电解质组成和电极材料而变化。因此，必须进一步阐明Li-S电池的详细反应机理。图1-2（a）Li–S电池配置的示意图、（b）常规Li-S电池的放电和充电曲线图1.2.2锂硫电池存在的问题尽管Li-S电池在能量密度和低成本方面都具有很大的优势，但是仍然存在许多难以解决的问题，这阻碍了其实践[6-8]。根据上述Li-S电池的反应机理和大量的研究结果，以下因素是影响Li-S电池电化学性能的主要因素，如图1-3所示[9]。（1）硫及其最终放电产物Li2S的电导率非常低（硫的电导率为5×10-30S/cm）。这些可被视为绝缘材料[10]，导致活性材料利用率低和比容量低。因此，有必要添加适量的导电添加剂，并将其与活性物质充分均匀地混合，以确保良好的电子传输，从而提高活性物质的利用率，增强电极动力学并改善循环性能[11-12]。最常用的导电添加剂是高表面积的多孔碳[13]，这对于获得高比容量，高库伦效率和合理的循环寿命的电极很重要。
江汉大学硕士研究生学位论文第5页图1-3锂电池面临的挑战示意图1.3锂硫电池正极工艺优化的研究进展对于锂硫电池而言，单质硫的绝缘性、其反应中间产物多硫化物的溶解以及硫在充放电过程中体积的变化，使得单质硫必须和硫载体复合才能够获得高电化学性能的硫正极材料。目前国内外对于锂硫电池的研究一直集中于锂硫电池正极材料的改性，可以分为碳硫复合材料、聚合物硫复合材料和无机金属化合物硫复合材料三个方面，下边将从以下三个方面介绍锂硫电池正极材料的研究现状。1.3.1碳/硫正极优化理想的硫基质材料应具有高电导率，易于合成，稳定的材料结构和高体积比的特征，以负载大量的活性材料。考虑到这一点，碳质材料由于其高电导率，多样的结构和相对便宜的合成方法，成为锂-硫电池研究最深入的主体材料。同时，碳质材料可以物理吸附可溶性多硫化物以增强循环稳定性。2009年，Nazar等[19]制备了有序的介孔碳材料CMK-3，该材料由中空的碳棒组成，碳棒被空通道和空隙所隔开用作硫的载体。让单质硫和CMK-3在155°C混合热处理，使硫进入通道空隙中，这可以在碳和绝缘硫之间产生必要的电接触，
【参考文献】：
期刊论文
[1]Controlling the morphology, size and phase of Nb2O5 crystals for high electrochemical performance[J]. Jiaqin Liao,Rou Tan,Zhixiang Kuang,Chunyu Cui,Zengxi Wei,Xiaolan Deng,Zhanheng Yan,Yuezhan Feng,Fang Li,Caiyun Wang,Jianmin Ma. Chinese Chemical Letters. 2018(12)
[2]利用累托石制备片状多孔硅碳负极材料[J]. 铁肖永,闫昶宇,周玲,梁春艳,宰建陶. 电子元件与材料. 2018(01)
[3]微晶竹炭紫砂陶制备及性能研究[J]. 刘斌,王平,韦宇洪,韦仲华,简广,钟浓昊. 江西理工大学学报. 2015(01)
[4]石墨烯薄膜的光化学还原制备与表征[J]. 李冰,高峰,杨光敏,田苗苗,曲雪松,张昕彤. 高等学校化学学报. 2014(12)
[5]掺杂过渡金属的TiO2/累托石复合材料的制备及其光催化性能研究[J]. 张星,吴平霄,吴锦华,党志. 环境科学学报. 2014(03)
[6]锂硫电池膨胀氧化石墨/硫复合正极材料的制备及其性能[J]. 毛艳,张传辉,张洋,王琪,徐桂良,黄令,李君涛,孙世刚. 无机化学学报. 2013(05)
[7]氟化铝对镁铝尖晶石晶相结构及性能影响的研究[J]. 周巧琴. 福州大学学报(自然科学版). 2009(04)
[8]锂硫二次电池正极复合材料的合成和性能研究[J]. 杜锐,袁中直,钟清华,王辉,卓华兰. 电源技术. 2008(12)
硕士论文
[1]新型锂硫二次电池正极复合材料的制备和性能研究[D]. 张霏霏.山东理工大学 2012
本文编号：3486306
【文章来源】：江汉大学湖北省
【文章页数】：107 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Li–S电池和锂离子电池的容量密度和能量密度的比较
江汉大学硕士研究生学位论文第3页看起来复杂得多。硫以八个硫原子构成的环状分子（环-S8）存在，这是由于该状态是室温下最稳定。在放电过程中，有许多中间反应产物（Li2Sn，8>n>2）能够溶于电解质中，还会引起“穿梭效应”并降低活性物质的利用率。在锂电池的真实反应过程中，多硫化物的电化学还原过程实际上是非常复杂的，并且多硫化物共存于反应过程中。这也根据所使用的电解质组成和电极材料而变化。因此，必须进一步阐明Li-S电池的详细反应机理。图1-2（a）Li–S电池配置的示意图、（b）常规Li-S电池的放电和充电曲线图1.2.2锂硫电池存在的问题尽管Li-S电池在能量密度和低成本方面都具有很大的优势，但是仍然存在许多难以解决的问题，这阻碍了其实践[6-8]。根据上述Li-S电池的反应机理和大量的研究结果，以下因素是影响Li-S电池电化学性能的主要因素，如图1-3所示[9]。（1）硫及其最终放电产物Li2S的电导率非常低（硫的电导率为5×10-30S/cm）。这些可被视为绝缘材料[10]，导致活性材料利用率低和比容量低。因此，有必要添加适量的导电添加剂，并将其与活性物质充分均匀地混合，以确保良好的电子传输，从而提高活性物质的利用率，增强电极动力学并改善循环性能[11-12]。最常用的导电添加剂是高表面积的多孔碳[13]，这对于获得高比容量，高库伦效率和合理的循环寿命的电极很重要。
江汉大学硕士研究生学位论文第5页图1-3锂电池面临的挑战示意图1.3锂硫电池正极工艺优化的研究进展对于锂硫电池而言，单质硫的绝缘性、其反应中间产物多硫化物的溶解以及硫在充放电过程中体积的变化，使得单质硫必须和硫载体复合才能够获得高电化学性能的硫正极材料。目前国内外对于锂硫电池的研究一直集中于锂硫电池正极材料的改性，可以分为碳硫复合材料、聚合物硫复合材料和无机金属化合物硫复合材料三个方面，下边将从以下三个方面介绍锂硫电池正极材料的研究现状。1.3.1碳/硫正极优化理想的硫基质材料应具有高电导率，易于合成，稳定的材料结构和高体积比的特征，以负载大量的活性材料。考虑到这一点，碳质材料由于其高电导率，多样的结构和相对便宜的合成方法，成为锂-硫电池研究最深入的主体材料。同时，碳质材料可以物理吸附可溶性多硫化物以增强循环稳定性。2009年，Nazar等[19]制备了有序的介孔碳材料CMK-3，该材料由中空的碳棒组成，碳棒被空通道和空隙所隔开用作硫的载体。让单质硫和CMK-3在155°C混合热处理，使硫进入通道空隙中，这可以在碳和绝缘硫之间产生必要的电接触，
【参考文献】：
期刊论文
[1]Controlling the morphology, size and phase of Nb2O5 crystals for high electrochemical performance[J]. Jiaqin Liao,Rou Tan,Zhixiang Kuang,Chunyu Cui,Zengxi Wei,Xiaolan Deng,Zhanheng Yan,Yuezhan Feng,Fang Li,Caiyun Wang,Jianmin Ma. Chinese Chemical Letters. 2018(12)
[2]利用累托石制备片状多孔硅碳负极材料[J]. 铁肖永,闫昶宇,周玲,梁春艳,宰建陶. 电子元件与材料. 2018(01)
[3]微晶竹炭紫砂陶制备及性能研究[J]. 刘斌,王平,韦宇洪,韦仲华,简广,钟浓昊. 江西理工大学学报. 2015(01)
[4]石墨烯薄膜的光化学还原制备与表征[J]. 李冰,高峰,杨光敏,田苗苗,曲雪松,张昕彤. 高等学校化学学报. 2014(12)
[5]掺杂过渡金属的TiO2/累托石复合材料的制备及其光催化性能研究[J]. 张星,吴平霄,吴锦华,党志. 环境科学学报. 2014(03)
[6]锂硫电池膨胀氧化石墨/硫复合正极材料的制备及其性能[J]. 毛艳,张传辉,张洋,王琪,徐桂良,黄令,李君涛,孙世刚. 无机化学学报. 2013(05)
[7]氟化铝对镁铝尖晶石晶相结构及性能影响的研究[J]. 周巧琴. 福州大学学报(自然科学版). 2009(04)
[8]锂硫二次电池正极复合材料的合成和性能研究[J]. 杜锐,袁中直,钟清华,王辉,卓华兰. 电源技术. 2008(12)
硕士论文
[1]新型锂硫二次电池正极复合材料的制备和性能研究[D]. 张霏霏.山东理工大学 2012
本文编号：3486306
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