锂硫电池碳复合正极材料的制备与性能研究
发布时间：2022-01-11 20:22
随着科学技术的快速发展,工业和便携式电子设备领域对能源存储系统提出了更高的需求。与传统锂离子电池（LIB）相比,锂硫电池（Li-S）因其具有更高的理论能量密度（大约是商业化钴酸锂电池的五倍）以及更低的成本而在下一代二次电池储能系统中被科研人员寄予厚望,但由于循环稳定性较差、硫利用率较低以及充放电过程中多硫化物溶解于电解液引起的穿梭效应等问题严重阻碍了其商业化应用。深入研究碳/硫复合正极材料是解决上述问题的关键因素。本文采用三种不同的碳基材料与硫进行复合,主要研究内容如下:（1）以生物质碧根果壳作为碳源,经过氢氧化钾（KOH）活化过程,获得了一种具有超高比表面积（2163.776 m2/g）和合适总孔隙体积（1.048 cm3/g）的原位氮掺杂多孔碳材料。众多微孔为硫的吸附提供了大量的活性位点,并在循环过程中有效地改善了体积膨胀的问题;同时,掺杂的氮元素促进了对多硫化物的吸附,提高了碳骨架的导电性。除此之外,进一步研究了不同硫含量对锂硫电池性能的影响。当硫含量为55%时其循环稳定性和硫利用率最高,在0.1 C和1 C的电流密度下,初始放电容量高...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂硫电池与传统锂离子电池能量密度之比
第一章绪论3极和电池结构，并了解到了锂硫电池的反应机理以及循环寿命差的原因。程杰等人在2007年通过合成高比表面积和大孔体积的介孔碳材料作为碳基体进行载硫，其孔道结构极大地缓解了充放电循环过程中形成的中间产物多硫化锂的溶解，同时大孔体积减轻了循环过程中引起的体积膨胀，这为锂硫电池正极材料的研究提出了新方向[26]。Nazar等人在2009年成功合成了介孔碳(CMK-3)材料，将其与硫复合作为锂硫电池正极材料。在一定程度上解决了硫与最终放电产物Li2S2和Li2S导电性差的问题，同时有效地抑制了穿梭效应的形成[27]，这为锂硫电池正极材料的发展做出了巨大贡献。2010年Mikhaylik总结了锂硫电池技术的现状，将其与美国AdvancedBatteryConsortium(USABC)制定的锂硫电池规格相比，其满足了质量能量密度、质量功率密度和低温性能的要求；然而体积能量密度、倍率性能和充电时间难以达到预期目标，同时循环寿命和高温性能远远低于最低要求，这些不足限制了锂硫电池技术的广泛应用[28]。自那时起，锂硫电池成为了能源领域内科研人员和企业家的重点关注对象，研发一种充电时间短、循环寿命长、能量密度高的锂硫电池已经迫不及待了。图1-2近十年来锂硫电池的Paper出版数量(2020年5月12日检索于WebofScience)1.2.3锂硫电池基本结构及工作原理锂硫电池一般是由锂金属负极、硫复合正极、电解液和隔离电极的隔膜所组成[7]。硫元素作为锂硫电池中的活性材料，以多种同素异形体的形式存在，其中以S8的结构最为稳定。因此，我们通常使用粘结剂将S8与导电碳材料混合制成碳硫
电子科技大学硕士学位论文4复合正极，但传统锂离子电池所使用的碳酸盐类电解液并不适用于锂硫电池，因为在这类电解液中多硫化物的化学性质不稳定，所以现在大多采用双三氟甲烷磺酰亚胺锂为电解质导电剂，同时与乙二醇二甲醚和二氧戊环组成惰性醚基电解液来代替碳酸盐类电解液[29]。在组装好的锂硫电池中，由于硫处于带电状态，因此对于锂硫电池的测试要按照先放电再充电的步骤开始进行。如图1-3(a)所示，在放电过程中金属锂在负极被氧化，产生锂离子和电子。锂离子通过电解液从电池内部向正极移动，而电子通过外部电路向正极移动，从而产生电流[30,31]。通过与正极上的锂离子和电子反应，硫发生还原反应生成了硫化锂Li2S[32]。充电则是一个反向放电的过程，在这个过程中，外部电源使得电子通过外部电路从正极移动到负极，而锂离子则通过电解液扩散回到负极，如图1-3(b)所示。在放电过程中所发生的化学反应方程式如式(1-1)、(1-2)和(1-3)所示[30,33,34]：(a)(b)(c)图1-3(a)锂硫电池放电原理图；(b)锂硫电池充电原理图；(c)锂硫电池充放电曲线在进行放电时，S8环打开被还原成高阶多硫化锂Li2Sx(6＜x≤8)；下一步骤中，
【参考文献】：
期刊论文
[1]源自于生物质的纳米多孔炭在锂硫电池中的应用(英文)[J]. Sumair Imtiaz,张建,Zahid Ali Zafar,季胜楠,黄太仲,James A.Anderson,张昭良,黄云辉. Science China Materials. 2016(05)
[2]活性炭电极电容法脱盐性能的研究[J]. 程杰,张文峰,方敏,孙世强,曹高萍,杨裕生,谢自立. 精细化工. 2008(06)
本文编号：3583406
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂硫电池与传统锂离子电池能量密度之比
第一章绪论3极和电池结构，并了解到了锂硫电池的反应机理以及循环寿命差的原因。程杰等人在2007年通过合成高比表面积和大孔体积的介孔碳材料作为碳基体进行载硫，其孔道结构极大地缓解了充放电循环过程中形成的中间产物多硫化锂的溶解，同时大孔体积减轻了循环过程中引起的体积膨胀，这为锂硫电池正极材料的研究提出了新方向[26]。Nazar等人在2009年成功合成了介孔碳(CMK-3)材料，将其与硫复合作为锂硫电池正极材料。在一定程度上解决了硫与最终放电产物Li2S2和Li2S导电性差的问题，同时有效地抑制了穿梭效应的形成[27]，这为锂硫电池正极材料的发展做出了巨大贡献。2010年Mikhaylik总结了锂硫电池技术的现状，将其与美国AdvancedBatteryConsortium(USABC)制定的锂硫电池规格相比，其满足了质量能量密度、质量功率密度和低温性能的要求；然而体积能量密度、倍率性能和充电时间难以达到预期目标，同时循环寿命和高温性能远远低于最低要求，这些不足限制了锂硫电池技术的广泛应用[28]。自那时起，锂硫电池成为了能源领域内科研人员和企业家的重点关注对象，研发一种充电时间短、循环寿命长、能量密度高的锂硫电池已经迫不及待了。图1-2近十年来锂硫电池的Paper出版数量(2020年5月12日检索于WebofScience)1.2.3锂硫电池基本结构及工作原理锂硫电池一般是由锂金属负极、硫复合正极、电解液和隔离电极的隔膜所组成[7]。硫元素作为锂硫电池中的活性材料，以多种同素异形体的形式存在，其中以S8的结构最为稳定。因此，我们通常使用粘结剂将S8与导电碳材料混合制成碳硫
电子科技大学硕士学位论文4复合正极，但传统锂离子电池所使用的碳酸盐类电解液并不适用于锂硫电池，因为在这类电解液中多硫化物的化学性质不稳定，所以现在大多采用双三氟甲烷磺酰亚胺锂为电解质导电剂，同时与乙二醇二甲醚和二氧戊环组成惰性醚基电解液来代替碳酸盐类电解液[29]。在组装好的锂硫电池中，由于硫处于带电状态，因此对于锂硫电池的测试要按照先放电再充电的步骤开始进行。如图1-3(a)所示，在放电过程中金属锂在负极被氧化，产生锂离子和电子。锂离子通过电解液从电池内部向正极移动，而电子通过外部电路向正极移动，从而产生电流[30,31]。通过与正极上的锂离子和电子反应，硫发生还原反应生成了硫化锂Li2S[32]。充电则是一个反向放电的过程，在这个过程中，外部电源使得电子通过外部电路从正极移动到负极，而锂离子则通过电解液扩散回到负极，如图1-3(b)所示。在放电过程中所发生的化学反应方程式如式(1-1)、(1-2)和(1-3)所示[30,33,34]：(a)(b)(c)图1-3(a)锂硫电池放电原理图；(b)锂硫电池充电原理图；(c)锂硫电池充放电曲线在进行放电时，S8环打开被还原成高阶多硫化锂Li2Sx(6＜x≤8)；下一步骤中，
【参考文献】：
期刊论文
[1]源自于生物质的纳米多孔炭在锂硫电池中的应用(英文)[J]. Sumair Imtiaz,张建,Zahid Ali Zafar,季胜楠,黄太仲,James A.Anderson,张昭良,黄云辉. Science China Materials. 2016(05)
[2]活性炭电极电容法脱盐性能的研究[J]. 程杰,张文峰,方敏,孙世强,曹高萍,杨裕生,谢自立. 精细化工. 2008(06)
本文编号：3583406
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