多孔碳材料的制备及其在锂硫电池中的应用

发布时间：2017-07-20 16:21

  本文关键词：多孔碳材料的制备及其在锂硫电池中的应用

  更多相关文章： 锂硫电池 生物质碳 电化学性能 纳米片 微孔碳 介孔碳

【摘要】：随着当今社会的发展,能源消耗和环境问题向我们的社会提出了巨大的挑战。因此,发展具有高安全、高能量密度和环境友好的可充电锂离子电池是现代社会发展的重要组成部分。最近一些年,锂硫电池由于具有高的理论能量密度,高的比容量,硫单质还具有无毒,储存量大,价格低廉等优点引起了研究者的广泛关注。多孔碳材料由于具有优良的导电性、大的表面积和丰富的孔洞结构及很强的吸附能力而作为硫的碳基底被广泛应用于锂硫电池中。本论文,通过使用几种来源广,价格低廉的碳源,通过简单的方法制备出了多种高产率的多孔碳材料并应用于锂硫电池中。论文的主要成果如下所示：(1)通过炭化玉米芯废弃物,接着将碳化产物用氢氧化钾作为活化剂活化后,得到了具有大的比表面积的纳米片状微孔碳(PCNS)。PCNS作为硫的导电基底与硫通过热复合的方法制备出了硫／纳米片状微孔碳(S/PCNS)复合物正极材料应用于锂硫电池中,硫含量为44%的S/PCNS复合材料的初次的放电比容量高达1600 mAh/g,循环50圈后容量还能保持在554 mAh/g.电池性能的优越性归因于高度多孔的纳米片状结构,其纳米片状结构能够提供稳定和持续快速的离子传输路径,多孔结构可以减少中间产物聚硫化物的溶解和减少“穿梭效应”的发生。PCNS的大比表面积可以提高硫的利用率。(2)以废弃的佛手渣作为碳源,通过炭化、活化后制备出了具有大比表面积和发达孔隙结构的佛手渣活性炭(FAC),佛手渣活性炭具有3157 m2/g的比表面积和2.162 cm3儋的孔容,并且其还具有部分片状结构。FAC与硫通过热复合的方法制备出了S/FAC复合物正极材料并应用于锂硫电池中。制备出的较大的比表面积的多级多孔碳(FAC)有利于正极材料更好的渗透于电解液中,这可以提高的硫的利用率和电池的倍率性能。硫含量为52%的S/FAC复合物正极材料在0.2C的电流密度下的初始放电容量高达1311mAh/g,循环50、100圈后,放电容量还能分别达到818mAh/g、657mAh/g。(3)通过一种简单的方法直接碳化己二酸和锌粉的混合物,没有进一步通过物理或化学活化处理制备出了具有高比表面积(2166 m2/g)和非常大的孔容(4.09 cm3/g)的等级多孔碳(PCNS)。这种介孔碳呈现出了一种自组装的花状结构,它是由一些具有胶囊状孔径在15纳米左右的多孔纳米片组成。通过传统热复合的方法,将等级多孔碳(PCNS)与硫均匀复合形成S/PCNS复合物材料。获得的这种S/PCNS复合物材料,用它作为锂硫电池的正极,其表现出了优异的电化学性能。当S/PCNS复合物材料的硫含量为62%时,在倍率为0.2C下的其初始可逆容量高达1384 mAh/g和优越的循环性能,循环100圈后还能保持657 mAh/g的可逆容量。
【关键词】：锂硫电池 生物质碳 电化学性能 纳米片 微孔碳 介孔碳
【学位授予单位】：浙江师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM912
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-22
• 1.1 引言10-11
• 1.2 锂硫电池11-14
• 1.2.1 锂硫电池概述11-12
• 1.2.2 锂硫电池工作原理12-13
• 1.2.3 锂硫电池面临的挑战和解决方案13-14
• 1.3 硫/多孔碳复合材料14-19
• 1.3.1 硫/微孔碳复合物15-16
• 1.3.2 硫/介孔碳复合物16-17
• 1.3.3 硫/分级多孔碳复合材料17-18
• 1.3.4 硫/生物质活性炭18-19
• 1.4 选题依据和主要实验内容19-22
• 第二章 实验仪器及方法22-26
• 2.1 实验材料及仪器22-24
• 2.1.1 实验材料22
• 2.1.2 实验仪器22-24
• 2.2 材料形貌和结构的表征24-25
• 2.2.1 X射线衍射(XRD)测试24
• 2.2.2 扫描电子显微镜(SEM)测试24
• 2.2.3 透射电子显微镜(TEM)测试24
• 2.2.4 热重分析(TGA)测试24
• 2.2.5 氮气吸脱附(BET)测试24-25
• 2.2.6 Raman测试25
• 2.3 电化学性能测试25-26
• 2.3.1 电池的组装25
• 2.3.2 电池充放电测试25
• 2.3.3 电池循环伏安(CV)测试25
• 2.3.4 交流阻抗(EIS)测试25-26
• 第三章 纳米片状微孔玉米芯活性炭在锂硫电池中的应用26-38
• 3.1 引言26-27
• 3.2 实验部分27-28
• 3.2.1 玉米芯活性炭的制备27
• 3.2.2 硫/玉米芯活性炭复合材料的制备27-28
• 3.2.3 电极材料的制备28
• 3.3 结果与讨论28-36
• 3.3.1 硫/玉米芯活性炭复合材料的形貌、结构表征28-34
• 3.3.2 硫/玉米芯活性炭复合材料的电化学分析34-36
• 3.4 本章小结36-38
• 第四章 来源于佛手的高孔隙多孔碳在锂硫电池中的应用38-48
• 4.1 引言38-39
• 4.2 实验过程39
• 4.2.1 佛手渣活性炭的制备39
• 4.2.2 硫/佛手渣活性炭复合材料的制备39
• 4.2.3 电极的制备39
• 4.3 硫/佛手渣活性炭复合材料的物性表征及电池性能39-46
• 4.3.1 硫/佛手活性炭复合材料的形貌、结构表征39-44
• 4.3.2 佛手渣活性炭/硫复合材料的电化学分析44-46
• 4.4 本章小结46-48
• 第五章 超大孔容自组装等级结构纳米片状介孔碳在锂硫电池中的应用48-58
• 5.1 引言48-49
• 5.2 实验部分49-50
• 5.2.1 纳米片状介孔碳PCNS的合成49
• 5.2.2 S/CNS复合物的合成49-50
• 5.2.3 电极的制备50
• 5.3 结果与讨论50-57
• 5.3.1 己二酸和锌粉的降解过程50
• 5.3.2 PCNS的SEM和TEM图像分析50-51
• 5.3.3 S/PCNS复合物的XRD和TG分析51-52
• 5.3.4 S/PCNS复合物的SEM和TEM分析52-53
• 5.3.5 PCNS和S/PCNS复合物的气体吸附分析53-54
• 5.3.6 S/PCNS复合材料的电化学分析54-57
• 5.4 本章小结57-58
• 第六章 结论与展望58-60
• 参考文献60-70
• 致谢70-72
• 攻读硕士学位期间成果72-76

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