硒掺杂的硫化聚丙烯腈在高比能锂硫/室温钠硫电池中的应用
发布时间：2022-01-06 13:52
硫作为正极材料,理论比容量高达1675 mAh g-1;同时,硫的资源丰富,价格低廉,对环境友好。硫正极与金属阳极锂或钠匹配,形成的锂硫（Li-S）电池和室温钠硫电池（RT Na-S）是非常有潜力的高能量密度电池体系。目前,锂硫电池或室温钠硫电池在实际应用方面还存在一些问题,包括硫单质的绝缘性以及多硫化物的“穿梭效应”等。研究表明将聚丙烯腈聚合物与硫单质在一定温度下复合,得到的硫化聚丙烯腈（S@pPAN）作为锂硫电池或室温钠硫电池中的正极材料,能一定程度上抑制多硫化物的溶解。硒作为硫的同族元素,电子电导率远高于硫,同时本身也可以应用在高倍率的钠硒电池中。因此,我们提出将硒作为“共熔加速剂”引入到S@pPAN中,提高S@pPAN的反应动力学和电化学性能。并对这种硒掺杂的S@pPAN复合正极材料的储锂或储钠性能做了以下两点研究:（1）分析了不同温度下合成的SeS2@pPAN复合材料的形貌结构差异与电化学性能的区别。结果表明450℃下合成的SeS2@pPAN正极材料,理论比容量最高,在酯类电解液中的电化学性能最好。同时,该复合...
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
典型二次电池的理论能量密度和实际能量密度对比图
图 1.2 (a) Li-S 电池的充放电过程示意图[10]，(b) Li-S 电池的充放电机理图[11]。Figure 1.2 (a) Schematic diagram of a Li-S cell with its charge/discharge operations[10], (b) Electrochemistry of sulfur showing an ideal charge-discharge profile[11].1.3 锂硫电池存在的问题虽然硫正极与锂负极可以匹配成高比能 Li-S 电池，但是其中也存在一些固有的缺点，会引起人们对其安全性和成本效益的担忧。硫正极方面存在的主要问题为：（1）硫的电子电导率低（5×10-30S cm-1）以及放电产物 Li2S 的绝缘特性导致传递电荷遇到阻碍，活性材料的利用率很低；（2）长链的多硫化物 Li2Sx(x=4-8)易溶解到醚类电解液中，其中有一些在放电结束后不会重新回到正极，导致在锂化过程中容量的快速衰减；（3）单质S8的密度为2.03 g cm-3，完全放电产物 Li2S 的密度是 1.66 g cm-3。反应过程中，正极材料 S8转化为 Li2S，发生约 80%的体积膨胀，较大的体积变化会使得电极结构遭到破坏，造成活性物质
这种核壳结构的 S-GO 作为正极材料，电池在 0.6C 下能稳定循环 1000 次，比容仍然还有 800 mAh g-1。4.1.3 三维碳/硫复合材料三维碳/硫结构中有代表性的工作之一是 2009 年 Nazar 团队合成了内孔体积为2 cm3g-1，比表面积高达 2445 m2g-1的球形有序介孔炭[20]应用于 Li-S 电池。他使用 CMK-3 作为介孔碳支架，这种介孔碳是由一排 6.5nm 的空心碳棒组成，这碳棒由 3-4nm 的通道空隙隔开。由于硫在 155℃下的粘度最低，所以在该温度下，通过熔融扩散的方法渗透到 CMK-3 结构中，与导电碳壁保持紧密接触。通过使 CMK-3 的介孔结构来捕捉多硫化物，Nazar 团队证明了 Li-S 电池可以在 0.1C 的率下稳定循环 20 圈，比容量高达 1005 mAh g-1。用亲水性的聚乙二醇对碳材料表进行改性可以将比容量提高到 1320 mAh g-1。这项工作促进了 Li-S 电池领域的快发展，尤其是在利用高导电碳封装硫正极方面。
本文编号：3572574
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
典型二次电池的理论能量密度和实际能量密度对比图
图 1.2 (a) Li-S 电池的充放电过程示意图[10]，(b) Li-S 电池的充放电机理图[11]。Figure 1.2 (a) Schematic diagram of a Li-S cell with its charge/discharge operations[10], (b) Electrochemistry of sulfur showing an ideal charge-discharge profile[11].1.3 锂硫电池存在的问题虽然硫正极与锂负极可以匹配成高比能 Li-S 电池，但是其中也存在一些固有的缺点，会引起人们对其安全性和成本效益的担忧。硫正极方面存在的主要问题为：（1）硫的电子电导率低（5×10-30S cm-1）以及放电产物 Li2S 的绝缘特性导致传递电荷遇到阻碍，活性材料的利用率很低；（2）长链的多硫化物 Li2Sx(x=4-8)易溶解到醚类电解液中，其中有一些在放电结束后不会重新回到正极，导致在锂化过程中容量的快速衰减；（3）单质S8的密度为2.03 g cm-3，完全放电产物 Li2S 的密度是 1.66 g cm-3。反应过程中，正极材料 S8转化为 Li2S，发生约 80%的体积膨胀，较大的体积变化会使得电极结构遭到破坏，造成活性物质
这种核壳结构的 S-GO 作为正极材料，电池在 0.6C 下能稳定循环 1000 次，比容仍然还有 800 mAh g-1。4.1.3 三维碳/硫复合材料三维碳/硫结构中有代表性的工作之一是 2009 年 Nazar 团队合成了内孔体积为2 cm3g-1，比表面积高达 2445 m2g-1的球形有序介孔炭[20]应用于 Li-S 电池。他使用 CMK-3 作为介孔碳支架，这种介孔碳是由一排 6.5nm 的空心碳棒组成，这碳棒由 3-4nm 的通道空隙隔开。由于硫在 155℃下的粘度最低，所以在该温度下，通过熔融扩散的方法渗透到 CMK-3 结构中，与导电碳壁保持紧密接触。通过使 CMK-3 的介孔结构来捕捉多硫化物，Nazar 团队证明了 Li-S 电池可以在 0.1C 的率下稳定循环 20 圈，比容量高达 1005 mAh g-1。用亲水性的聚乙二醇对碳材料表进行改性可以将比容量提高到 1320 mAh g-1。这项工作促进了 Li-S 电池领域的快发展，尤其是在利用高导电碳封装硫正极方面。
本文编号：3572574
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