锂硫电池的聚吡咯正极复合材料电化学性能研究
发布时间：2022-01-27 21:13
锂硫电池由于其理论能量密度和比容量分别高达2600 Wh kg-1和1675 mAhg-1,所以受到了大量研究者的关注。同时,单质硫还具有储存量丰富、无毒和环境友好等显著的特点。但是纯硫正极仍存在着一些问题严重阻碍了锂硫电池走向市场化,如由多硫化物的溶解引起的穿梭效应、单质硫和其生成产物（Li2S2和Li2S）的导电性差及充电过程中硫的体积膨胀等问题。这些问题导致硫的利用率低下、电池的循环寿命差以及电池的容量衰减快。为了提升锂硫电池的电化学性能,本论文中制备了硫/聚吡咯纳米管（S/PPy）、S/PPy/金属氧化物颗粒（Co3O4、Ni O和Al2O3）、硫@Co3O4中空球（S@Co3O4）和S@Co3O4/PPy复合材料,探索不同形貌和组成成分的复合材料对锂硫电池电化学性能的影响。论文中主要的研究内容和结论如下:（1）为了改...
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂硫电池工作原理[9]
杭州电子科技大学硕士学位论文3图1.2锂硫电池的充放电曲线[14]1.3锂硫电池的研究进展及其正极存在的主要问题近些年来，为了解决锂硫电池中存在的问题，使其尽早实现大规模的市场化应用。当前，科研者们主要从锂硫电池的正极、负极、电解液和隔膜四个方向进行研究，期望以此改善锂硫电池的电化学性能。本章会从上述这四个方面介绍当前研究者们在锂硫电池上的最新研究进展。1.3.1锂硫电池正极的研究进展随着研究的深入，我们发现采用纯硫作为锂硫电池的正极材料，虽然其具有非常诱人的理论比容量和能量密度，但是其存在由多硫化物的溶解引起的穿梭效应、单质硫和其最终产物（Li2S2和Li2S）的绝缘性以及充放过程中硫的体积膨胀等问题[17]，导致锂硫电池的使用寿命差，严重阻碍了其商业化。为了解决以上问题，研究者们将硫单质与导电性较好或对多硫化物具有吸附性的材料进行复合，制备成复合材料作为锂硫电池的正极材料。目前研究较多有导电聚合物/硫复合材料、碳/硫复合材料和极性金属氧化物/硫复合材料等。（1）碳/硫复合材料近些年来，研究者们为了克服锂硫电池硫正极导性差、体积膨胀和多硫化物溶解引起的穿梭效应等问题，将单质硫与碳材料进行复合，制备碳/硫复合电极材料。碳材料具有的导电性好、结构多样性、比表面积高、孔容量高等优点，可以极大的改善锂硫电池的性能。当前研究较多的碳/硫复合材料有：石墨烯/硫复合材料、多孔碳/硫复合材料、碳微球/硫复合材料、碳纳米管/硫复合材料等。2017年，Qiang[18]等人将氮、硫掺杂的分级多孔碳负载单质硫制备锂硫电池正极复合材料。以此复合材料作为正极的锂硫电池表现出超长的循环寿命，在4.6A/g高电流密度下，循环8000圈后，放电比容量的衰减率低至3%；在0.23A/g的电流密度下，循环350?
杭州电子科技大学硕士学位论文4米管不仅能够负载67wt%的单质硫，同时可通过毛细作用来吸附多硫化物，而且其中富含有高达4.60wt%的氮元素，可以与多硫化物生成化学键限制多硫化物的溶解。由于上述优点，硫含量为3mgcm-2的S/N-HPCHT复合正极在0.2C和3C倍率下，首次放电比容量分别为1152mAhg-1和852.8mAhg-1；在1C倍率下，循环500圈后放电比容量仍保有717.9mAhg-1。硫含量更高（8mgcm-2）的S/N-HPCHT复合电极在0.2C的倍率下，循环60圈仍然保有975.1mAhg-1的放电比容量。图1.3硫/中空多孔碳纳米管复合材料制备流程[19]2019年，Xu[20]等人通过界面共聚策略和NH3辅助碳化，制备了一种多孔和含氮丰富的中空碳纳米球（PN-HCNs）。具有中空纳米结构的PN-HCNs通过NH3处理后，使碳纳米小球具有大的比表面积（1237m2g-1）和高含量的氮元素。其与单质硫复合制备的硫/PN-HCNs复合正极材料，其结构如下图1.4所示，在0.1C下的初始放电比容量高达1620mAhg-1，在0.5C下，循环200圈后还保有789mAhg-1的放电比容量。图1.4硫/PN-HCN复合材料的（a）SEM图和（b）TEM图[20]2013年，chen[21]等人先将聚吡咯吸附在石墨烯纳米片的表面，再将硫粘附在聚吡咯/石墨烯复合材料的表面，制备出硫/聚吡咯/石墨烯复合正极材料。如下图1.5所示，硫单质均匀分散在在聚吡咯/石墨烯复合材料表面，其中石墨烯纳米片具有良好导电性，有利于提高硫利用率，而且聚吡咯能够有效地可溶性多硫化物的扩散。以硫/聚吡咯/石墨烯复合材料作为正极的锂硫电池具有高达1415.7mAhg-1的初始放电比容量，在0.1C倍率下，循环40圈后仍可保留641.5mAhg-1的放电比容量。
【参考文献】：
期刊论文
[1]锂硫电池关键材料表面改性研究进展[J]. 梁资拓,唐培,齐威宇,王璐璐,童洋武,张静,李合琴. 电池工业. 2018(03)
[2]锂硫电池用石墨烯基材料的研究进展[J]. 陈克,孙振华,方若翩,李峰,成会明. 物理化学学报. 2018(04)
[3]锂硫电池隔膜材料的研究进展[J]. 康卫民,马晓敏,赵义侠,赵卉卉,程博闻,刘延波. 高分子学报. 2015(11)
[4]锂硫电池硫碳复合正极材料研究现状及展望[J]. 周兰,余爱水. 电化学. 2015(03)
博士论文
[1]锂硫电池硫化锂/碳复合正极材料的制备及其电化学性能研究[D]. 汪东煌.浙江大学 2018
硕士论文
[1]基于碳材料的锂二次电池电极材料制备与性能研究[D]. 丁娴.陕西师范大学 2018
本文编号：3613096
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂硫电池工作原理[9]
杭州电子科技大学硕士学位论文3图1.2锂硫电池的充放电曲线[14]1.3锂硫电池的研究进展及其正极存在的主要问题近些年来，为了解决锂硫电池中存在的问题，使其尽早实现大规模的市场化应用。当前，科研者们主要从锂硫电池的正极、负极、电解液和隔膜四个方向进行研究，期望以此改善锂硫电池的电化学性能。本章会从上述这四个方面介绍当前研究者们在锂硫电池上的最新研究进展。1.3.1锂硫电池正极的研究进展随着研究的深入，我们发现采用纯硫作为锂硫电池的正极材料，虽然其具有非常诱人的理论比容量和能量密度，但是其存在由多硫化物的溶解引起的穿梭效应、单质硫和其最终产物（Li2S2和Li2S）的绝缘性以及充放过程中硫的体积膨胀等问题[17]，导致锂硫电池的使用寿命差，严重阻碍了其商业化。为了解决以上问题，研究者们将硫单质与导电性较好或对多硫化物具有吸附性的材料进行复合，制备成复合材料作为锂硫电池的正极材料。目前研究较多有导电聚合物/硫复合材料、碳/硫复合材料和极性金属氧化物/硫复合材料等。（1）碳/硫复合材料近些年来，研究者们为了克服锂硫电池硫正极导性差、体积膨胀和多硫化物溶解引起的穿梭效应等问题，将单质硫与碳材料进行复合，制备碳/硫复合电极材料。碳材料具有的导电性好、结构多样性、比表面积高、孔容量高等优点，可以极大的改善锂硫电池的性能。当前研究较多的碳/硫复合材料有：石墨烯/硫复合材料、多孔碳/硫复合材料、碳微球/硫复合材料、碳纳米管/硫复合材料等。2017年，Qiang[18]等人将氮、硫掺杂的分级多孔碳负载单质硫制备锂硫电池正极复合材料。以此复合材料作为正极的锂硫电池表现出超长的循环寿命，在4.6A/g高电流密度下，循环8000圈后，放电比容量的衰减率低至3%；在0.23A/g的电流密度下，循环350?
杭州电子科技大学硕士学位论文4米管不仅能够负载67wt%的单质硫，同时可通过毛细作用来吸附多硫化物，而且其中富含有高达4.60wt%的氮元素，可以与多硫化物生成化学键限制多硫化物的溶解。由于上述优点，硫含量为3mgcm-2的S/N-HPCHT复合正极在0.2C和3C倍率下，首次放电比容量分别为1152mAhg-1和852.8mAhg-1；在1C倍率下，循环500圈后放电比容量仍保有717.9mAhg-1。硫含量更高（8mgcm-2）的S/N-HPCHT复合电极在0.2C的倍率下，循环60圈仍然保有975.1mAhg-1的放电比容量。图1.3硫/中空多孔碳纳米管复合材料制备流程[19]2019年，Xu[20]等人通过界面共聚策略和NH3辅助碳化，制备了一种多孔和含氮丰富的中空碳纳米球（PN-HCNs）。具有中空纳米结构的PN-HCNs通过NH3处理后，使碳纳米小球具有大的比表面积（1237m2g-1）和高含量的氮元素。其与单质硫复合制备的硫/PN-HCNs复合正极材料，其结构如下图1.4所示，在0.1C下的初始放电比容量高达1620mAhg-1，在0.5C下，循环200圈后还保有789mAhg-1的放电比容量。图1.4硫/PN-HCN复合材料的（a）SEM图和（b）TEM图[20]2013年，chen[21]等人先将聚吡咯吸附在石墨烯纳米片的表面，再将硫粘附在聚吡咯/石墨烯复合材料的表面，制备出硫/聚吡咯/石墨烯复合正极材料。如下图1.5所示，硫单质均匀分散在在聚吡咯/石墨烯复合材料表面，其中石墨烯纳米片具有良好导电性，有利于提高硫利用率，而且聚吡咯能够有效地可溶性多硫化物的扩散。以硫/聚吡咯/石墨烯复合材料作为正极的锂硫电池具有高达1415.7mAhg-1的初始放电比容量，在0.1C倍率下，循环40圈后仍可保留641.5mAhg-1的放电比容量。
【参考文献】：
期刊论文
[1]锂硫电池关键材料表面改性研究进展[J]. 梁资拓,唐培,齐威宇,王璐璐,童洋武,张静,李合琴. 电池工业. 2018(03)
[2]锂硫电池用石墨烯基材料的研究进展[J]. 陈克,孙振华,方若翩,李峰,成会明. 物理化学学报. 2018(04)
[3]锂硫电池隔膜材料的研究进展[J]. 康卫民,马晓敏,赵义侠,赵卉卉,程博闻,刘延波. 高分子学报. 2015(11)
[4]锂硫电池硫碳复合正极材料研究现状及展望[J]. 周兰,余爱水. 电化学. 2015(03)
博士论文
[1]锂硫电池硫化锂/碳复合正极材料的制备及其电化学性能研究[D]. 汪东煌.浙江大学 2018
硕士论文
[1]基于碳材料的锂二次电池电极材料制备与性能研究[D]. 丁娴.陕西师范大学 2018
本文编号：3613096
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