静电纺丝制备FeS 2 @碳纤维及其作为锂硫电池正极性能研究
发布时间：2022-01-15 08:40
由于锂硫电池的能量密度是传统锂离子电池的几倍,在过去的几十年研究过程中,锂硫电池引起了人们极大的关注,除此以外锂硫电池成本低,对环境无污染。然而,由于多硫化锂的溶解、硫的导电性差和穿梭现象,锂硫电池的商业化应用受到了阻碍。为了克服这些缺点,科学家们提出了各种方法,比如优化电解质,合成硫/聚合物复合电极、硫/碳复合电极和硫/金属有机骨架（MOF）复合电极,来构造新颖的电池结构。此外,还有其他方法来提高锂硫电池的性能,例如采用适当的充放电条件,在硫分子中掺杂原子,使用不同种类的电解质和粘合剂。本文主要开展了对过渡金属硫化物与聚合物复合作为锂硫电池正极材料的研究。采用静电纺丝法制备了具有孔道结构的FeS2@碳纤维纳米复合材料,这种电极材料由三维互连的多孔道碳纤维构成,有利于电子和离子的扩散。FeS2纳米粒子分布在碳纤维的内壁,阻止了电化学反应中产生的多硫化物的溶解。研究FeS2的不同比例对材料表面形貌、结构和电化学性能的影响规律。使用X射线衍射分析（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线光电子能谱...
【文章来源】：辽宁科技大学辽宁省
【文章页数】：56 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂硫电池和锂离子电池容量密度和能量密度的比较
辽宁科技大学硕士学位论文3图1.2两种锂硫电池的原理图Fig1.2SchematicdiagramsoftwokindsofLi-Sbatteries.在放电过程中，锂失去电子被氧化成锂离子，锂离子将自发地从负极迁移到正极，并与硫正极材料反应，同时，电子通过外接电路传导出去，硫接受锂离子和电子，被还原为硫化锂。放电过程中发生的反应用以下公式表示，充电过程的反应与之相反。负极：2Li→2Li++2e-正极：S+2Li++2e-→Li2S虽然公式描述的反应非常简单，但它是一种理想的情况，只出现在固态锂硫电池中。在大多数液态锂硫电池中，真正的反应过程是多步骤的，这比看起来要复杂得多。硫以S8分子的形式存在，因为它是在室温下最稳定的结构。在放电过程中，存在大量的中间产物（Li2Sn，2<n<8），它们会溶于电解液中，会产生所谓的“穿梭效应”，减少活性物质的利用率。在锂硫电池的实际反应过程中，多硫化物的电化学还原过程实际上是非常复杂的。多硫化物在反应过程中共存，不同的电解液组成和电极材料也会有不同的反应过程。因此，对锂硫电池的详细反应机理需要更深入地研究。1.2.2锂硫电池在发展中存在的问题虽然锂硫电池具有能量密度大、成本低等优点，但仍存在许多困扰研究者的问题，这将阻碍其商业化应用[38-40]。根据锂硫电池的反应机理和大量的研究成果，影响锂硫电池电化学稳定性能的因素主要有以下几个。首先，硫和其最终放电产物Li2S的电导率很低（硫的电导率5×10-30Scm-1），这将导致活性物质不可逆利用和比容量衰减。因此，有必要加入适量的导电添加剂，并与活性物质进行完全均匀的混合，来确保良好的电子扩散以提高活性物质利用率，提高电极的反应效率，改善循环性能[41,42]。最常用的导电添加剂是具有高比表面积的多孔碳[43-45]，这?
孔径较大的介孔碳可以进一步提高电极材料中硫的含量。大孔碳是促进电解质扩散的理想选择，它主要来源于碳纳米管（CNTs）或碳纳米纤维（CNFS）[65]。此外，还可以在CNTs或CNFS表面进一步修饰微孔或中孔，从而合成具有分级孔结构的多孔碳材料[66]。研究表明，分级多孔碳综合了这三种多孔碳材料的优点，可以进一步提高锂硫电池的电化学性能。锂硫电池中常用的碳材料是微孔碳[59]、介孔碳[67-69]、分级多孔碳[70-72]、碳黑[73]、空心碳球[72,74,75]、碳纳米管[76-78]、碳纳米纤维[79,80]和石墨烯[81]。图1.3由碳纳米纤维支撑的碳管形成的中孔碳（CMK-3）Fig1.3Mesoporouscarbon(CMK-3)formedbycarbontubessupportedbycarbonnanofibers（1）微孔碳采用微孔碳作为硫的载体，由于微孔足够小，可以稳定硫分子和多硫化物，从而避免了多硫化物的溶解，同时微孔碳可以提高活性材料的导电率，所以活性物质的利用率相对较高。微孔碳球对硫或多硫化物分子有较强的吸附能力，使硫或多硫化物滞留在微孔的内部空间，从而限制了硫和锂离子之间的电化学反应。结果表明，微孔碳球/硫复合电极具有很长的循环寿命，即使经过500次循环，仍可保留660mAhg-1的高可逆容量。近年来，微孔碳材料的发展加速了锂硫电池用较小的硫分子作为正极材料的应用。Gu等人[82]在导电微孔碳载体中合成了S2-4亚稳小分子，并系统地测试了其电化学性能。采用微孔碳/S2-4复合电极可避免从S8到可溶性多硫化物的转变。因此，可以完全避免多硫化物的穿梭现象。S2-4小于0.6nm，而S5-8大于0.6nm，导电微孔碳的孔径仅为0.6nm。因此，当硫和导电微孔碳的混合物在165℃时，S8变成较小的S2-4分子或S5-8分子，并扩散到微孔碳中。当较小的S2-4分
本文编号：3590296
【文章来源】：辽宁科技大学辽宁省
【文章页数】：56 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂硫电池和锂离子电池容量密度和能量密度的比较
辽宁科技大学硕士学位论文3图1.2两种锂硫电池的原理图Fig1.2SchematicdiagramsoftwokindsofLi-Sbatteries.在放电过程中，锂失去电子被氧化成锂离子，锂离子将自发地从负极迁移到正极，并与硫正极材料反应，同时，电子通过外接电路传导出去，硫接受锂离子和电子，被还原为硫化锂。放电过程中发生的反应用以下公式表示，充电过程的反应与之相反。负极：2Li→2Li++2e-正极：S+2Li++2e-→Li2S虽然公式描述的反应非常简单，但它是一种理想的情况，只出现在固态锂硫电池中。在大多数液态锂硫电池中，真正的反应过程是多步骤的，这比看起来要复杂得多。硫以S8分子的形式存在，因为它是在室温下最稳定的结构。在放电过程中，存在大量的中间产物（Li2Sn，2<n<8），它们会溶于电解液中，会产生所谓的“穿梭效应”，减少活性物质的利用率。在锂硫电池的实际反应过程中，多硫化物的电化学还原过程实际上是非常复杂的。多硫化物在反应过程中共存，不同的电解液组成和电极材料也会有不同的反应过程。因此，对锂硫电池的详细反应机理需要更深入地研究。1.2.2锂硫电池在发展中存在的问题虽然锂硫电池具有能量密度大、成本低等优点，但仍存在许多困扰研究者的问题，这将阻碍其商业化应用[38-40]。根据锂硫电池的反应机理和大量的研究成果，影响锂硫电池电化学稳定性能的因素主要有以下几个。首先，硫和其最终放电产物Li2S的电导率很低（硫的电导率5×10-30Scm-1），这将导致活性物质不可逆利用和比容量衰减。因此，有必要加入适量的导电添加剂，并与活性物质进行完全均匀的混合，来确保良好的电子扩散以提高活性物质利用率，提高电极的反应效率，改善循环性能[41,42]。最常用的导电添加剂是具有高比表面积的多孔碳[43-45]，这?
孔径较大的介孔碳可以进一步提高电极材料中硫的含量。大孔碳是促进电解质扩散的理想选择，它主要来源于碳纳米管（CNTs）或碳纳米纤维（CNFS）[65]。此外，还可以在CNTs或CNFS表面进一步修饰微孔或中孔，从而合成具有分级孔结构的多孔碳材料[66]。研究表明，分级多孔碳综合了这三种多孔碳材料的优点，可以进一步提高锂硫电池的电化学性能。锂硫电池中常用的碳材料是微孔碳[59]、介孔碳[67-69]、分级多孔碳[70-72]、碳黑[73]、空心碳球[72,74,75]、碳纳米管[76-78]、碳纳米纤维[79,80]和石墨烯[81]。图1.3由碳纳米纤维支撑的碳管形成的中孔碳（CMK-3）Fig1.3Mesoporouscarbon(CMK-3)formedbycarbontubessupportedbycarbonnanofibers（1）微孔碳采用微孔碳作为硫的载体，由于微孔足够小，可以稳定硫分子和多硫化物，从而避免了多硫化物的溶解，同时微孔碳可以提高活性材料的导电率，所以活性物质的利用率相对较高。微孔碳球对硫或多硫化物分子有较强的吸附能力，使硫或多硫化物滞留在微孔的内部空间，从而限制了硫和锂离子之间的电化学反应。结果表明，微孔碳球/硫复合电极具有很长的循环寿命，即使经过500次循环，仍可保留660mAhg-1的高可逆容量。近年来，微孔碳材料的发展加速了锂硫电池用较小的硫分子作为正极材料的应用。Gu等人[82]在导电微孔碳载体中合成了S2-4亚稳小分子，并系统地测试了其电化学性能。采用微孔碳/S2-4复合电极可避免从S8到可溶性多硫化物的转变。因此，可以完全避免多硫化物的穿梭现象。S2-4小于0.6nm，而S5-8大于0.6nm，导电微孔碳的孔径仅为0.6nm。因此，当硫和导电微孔碳的混合物在165℃时，S8变成较小的S2-4分子或S5-8分子，并扩散到微孔碳中。当较小的S2-4分
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