锂硫电池硫正极、隔膜改性及电化学性能研究

发布时间：2017-05-23 11:20

  本文关键词：锂硫电池硫正极、隔膜改性及电化学性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着经济的快速增长,人们对能量的需求日益剧增。锂硫电池作为一种新型绿色的高能二次电池,因其高理论比容量(1675 mAh g-1)和能量密度(2600 Wh kg-1)吸引了众多研究学者的广泛关注。但是,锂硫电池的实际应用还面临一些挑战,包括硫和硫化锂的低电子导电性,中间产物多硫化锂在有机电解液中的溶解和扩散等缺点,造成了硫正极活性物质利用率低、电池循环性能差,制约了锂硫电池的应用。本学位论文针对当前锂硫电池中存在的硫易团聚、活性物质利用率低和多硫化物易扩散等问题,开展了硫正极、隔膜的改性研究。研究了一维金属氧化物纳米纤维(Mg_(0.6)Ni_(0.4)O中空纳米纤维)对硫正极结构和性能的影响;首次将金属氧化物(Mg_(0.6)Ni_(0.4)O)和导电碳(科琴黑)相结合对锂硫电池隔膜进行改性研究;通过共沉淀-热分解法制备了金属Ni纤维,研究了Ni/S复合正极材料电化学性能及金属Ni在电极中的作用机理。主要研究结果具体如下:采用静电纺丝法成功制备了直径为300-500 nm、长度达几十微米的Mg_(0.6)Ni_(0.4)O中空纳米纤维。前驱体纤维在不同温度下烧结之后,表现出不同程度的收缩,随着温度的升高晶粒尺寸不断增加,比表面积减小,700℃下纤维表面出现明显颗粒。研究了不同温度下制备的Mg_(0.6)Ni_(0.4)O纤维作为基底材料对锂硫电池硫正极的影响。结果表明,Mg_(0.6)Ni_(0.4)O的添加降低了硫的团聚及电极电阻;同时,复合金属氧键能够提高电极的还原电位,降低电极极化。与纯硫电极相比,Mg_(0.6)Ni_(0.4)O(700℃)/S复合电极对电池循环性能提升最为明显。通过溶液燃烧法制备了粒径为100-200 nm的Mg_(0.6)Ni_(0.4)O纳米颗粒,采用球磨法制备了Mg_(0.6)Ni_(0.4)O/科琴黑(KB)复合物,并均匀涂覆在原始隔膜表面形成复合物改性隔膜,涂覆厚度约为7μm。采用该改性隔膜制备的纽扣电池在0.5 C下循环350圈之后仍有530 mAh g-1的放电容量。分析结果表明改性隔膜上的复合物导电层能够有效抑制多硫化物的扩散,金属氧化物中的复合金属氧键能促进Li2S4向Li2S的进一步还原,降低电极极化;导电层与正极接触紧密,能提供额外的电子传输路径,不仅能降低电极电阻,而且能将束缚住的活性物质再次利用起来。采用改善的共沉淀-热分解法制备了多孔Ni纤维,研究了Ni纤维的不同添加量对锂硫电池电化学性能的影响。结果表明多孔Ni纤维的结构能够抑制多硫化物的扩散,添加3%Ni纤维的复合正极材料表现出最好的循环性能,在0.5 C下的初始放电容量为805 mAh g-1,循环50圈后保持440 m Ah g-1的稳定放电比容量,即使在1 C下,仍然保持了310 mAh g-1的放电容量;循环伏安曲线(CV)和电化学阻抗谱(EIS)分析结果表明Ni纤维不仅能促进电池中的电化学反应,降低电极极化,而且为活性物质提供了良好的电子传输通道,减少电极阻抗,从而提升电池性能。
【关键词】：锂硫电池 多硫化物 Mg_(0.6)Ni_(0.4)O Ni纤维
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM912
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 绪论11-28
• 1.1 引言11
• 1.2 锂硫电池简介11-13
• 1.3 锂硫电池存在的问题13-16
• 1.3.1 活性材料的绝缘性13-14
• 1.3.2 多硫化物的溶解14
• 1.3.3 自放电效应14
• 1.3.4 飞梭效应14-15
• 1.3.5 硫化锂和硫的沉积15
• 1.3.6 电极体积膨胀15-16
• 1.4 锂硫电池国内外研究进展16-26
• 1.4.1 锂硫电池正极改性16-24
• 1.4.2 锂硫电池隔膜改性24-25
• 1.4.3 锂硫电池其他方面的改性研究25-26
• 1.5 本课题的提出及主要研究内容26-28
• 第二章 实验原料、仪器与方法28-32
• 2.1 实验原料和仪器28-30
• 2.2 材料物理测试及表征30-31
• 2.2.1 X射线粉末衍射30
• 2.2.2 比表面积测试30
• 2.2.3 扫描电子显微镜30
• 2.2.4 透射电子显微镜30-31
• 2.3 电化学性能表征31-32
• 2.3.1 循环伏安测试31
• 2.3.2 电化学阻抗测试31
• 2.3.3 电池充放电测试31-32
• 第三章 Mg_(0.6)Ni_(0.4)O中空纳米纤维的制备及其在锂硫电池中的应用32-45
• 3.1 引言32
• 3.2 实验32-34
• 3.2.1 Mg_(0.6)Ni_(0.4)O中空纳米纤维的制备32-33
• 3.2.2 Mg_(0.6)Ni_(0.4)O/S复合物的制备33
• 3.2.3 电池的组装和测试33-34
• 3.3 材料的表征34-39
• 3.3.1 Mg_(0.6)Ni_(0.4)O中空纳米纤维的表征34-37
• 3.3.2 Mg_(0.6)Ni_(0.4)O/S复合物的表征37-39
• 3.4 电化学性能分析39-43
• 3.4.1 首次放电曲线测试39-40
• 3.4.2 循环伏安测试40-41
• 3.4.3 循环性能测试41
• 3.4.4 电化学阻抗测试41-43
• 3.5 本章小结43-45
• 第四章 Mg_(0.6)Ni_(0.4)O/科琴黑复合物改性隔膜在锂硫电池中的电化学性能研究45-52
• 4.1 引言45
• 4.2 实验45-46
• 4.2.1 材料的制备45-46
• 4.2.2 纯硫电极和改性隔膜的制备46
• 4.2.3 电池的组装和测试46
• 4.3 材料的表征46-48
• 4.3.1 XRD物相分析46-47
• 4.3.2 SEM形貌分析47-48
• 4.4 电化学性能分析48-51
• 4.4.1 循环伏安测试48-49
• 4.4.2 电化学阻抗和循环性能测试49-51
• 4.5 本章小结51-52
• 第五章 Ni/S复合物的制备及其电化学性能研究52-61
• 5.1 引言52
• 5.2 实验52-54
• 5.2.1 Ni纤维的制备52
• 5.2.2 Ni/S复合物的制备52-53
• 5.2.3 电池的组装和测试53-54
• 5.3 材料的表征54-56
• 5.3.1 Ni/S复合物的结构分析54
• 5.3.2 Ni/S复合物的形貌分析54-56
• 5.4 电化学性能分析56-59
• 5.4.1 循环性能测试56-57
• 5.4.2 循环伏安曲线和放电曲线测试57-58
• 5.4.3 电化学阻抗测试58-59
• 5.5 本章小结59-61
• 第六章 结论与展望61-63
• 参考文献63-72
• 致谢72-73
• 发表论文、发明专利情况73

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