Li-S电池多孔正极复合材料的制备及性能研究

发布时间：2017-08-15 17:31

  本文关键词：Li-S电池多孔正极复合材料的制备及性能研究

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【摘要】：Li-S电池是以元素硫或硫化物为正极,金属锂为负极的二次电池。Li-S电池的理论比容量高达1675 mAh/g,理论能量密度为2600 Wh/Kg,被认为是未来最有希望的储能装置。此外,元素硫在地壳中储量丰富、价格低廉、环境友好等优点。然而,Li-S电池目前仍面临着许多问题：(1)单质硫不导电,导致正极材料电导率差；(2)单质硫与锂反应生成多硫化锂易溶解在电解液中,形成“穿梭效应”,使活性物质利用率降低和电池循环稳定性变差,并在锂负极上形成硫化锂枝晶沉淀,易戳破隔膜；(3)硫被还原成多硫化锂,体积膨胀70%。本文通过改变硫碳正极材料的结构和金属氧化物掺杂来改善Li-S电池的性能。主要从以下几个方面开展研究工作：(1)通过硬模板法制备多孔碳,改变硫碳的质量配比,研究硫碳比对Li-S电池硫碳复合正极材料的影响。结果表明：S：C=4：1时,硫碳复合正极材料装配成的电池在0.2 C的放电倍率下首次放电容量为1390 mAh/g,100次循环后仍能保持520 mAh/g,循环稳定性在三种配比中最佳(S：C=3：1、4：1、5：1)。(2)以葡萄糖为碳源,纳米碳酸钙为模板制备不同模板比例的多孔碳,研究模板比例对Li-S电池硫碳复合正极材料的影响。结果表明,葡萄糖：碳酸钙=4：4制备的碳材料比表面积最大(1437.51 m2/g),与硫复合后的正极材料装配成的电池,在0.1C的放电倍率下,首次放电容量最高(1480 mAh/g),100次充放电循环后仍能保持600 mAh/g。(3)分别以葡萄糖和聚乙烯醇为碳源先驱体,按相同的模板比例制备多孔碳材料,实验发现,葡萄糖为碳源制备的多孔碳材料,与硫复合后的正极材料装配成的电池性能更优越,在0.2 C的放电倍率下,首次放电容量为1390 mAh/g,100次充放电循环后仍能保持520 mAh/g。(4)在S/C正极材料中掺入不同含量的Cu20,结果表明掺入Cu20的正极材料装配的电池其循环稳定性得到了较好的提高,其中Cu20掺入量为10%的正极材料(MC-Cu2O(10%)-S)的电池电化学性能最佳,在0.2 C的放电倍率下,首次放电容量为1500 mAh/g,100次循环后仍能保持700 mAh/g。
【关键词】：Li-S电池 多孔碳 纳米氧化亚铜 硫/碳复合材料 电化学性能
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM912
【目录】：

• 致谢7-8
• 摘要8-9
• ABSTRACT9-18
• 第一章 绪论18-32
• 1.1 Li-S电池国内外发展概况18-19
• 1.2 Li-S电池工作原理19-20
• 1.3 Li-S电池正极材料20-25
• 1.3.1 无机硫化物21
• 1.3.2 硫/碳复合材料21-24
• 1.3.3 硫/聚合物复合材料24
• 1.3.4 硫/金属氧化物复合材料24-25
• 1.4 Li-S电池电解质材料25-27
• 1.4.1 有机液态电解质25-27
• 1.4.2 凝胶聚合物电解质27
• 1.4.3 固态电解质27
• 1.5 Li-S电池负极材料27-28
• 1.6 Li-S电池目前存在的问题28-29
• 1.6.1 硫和氧化还原产物硫化锂的绝缘性28
• 1.6.2 多硫离子的“穿梭效应”28-29
• 1.6.3 锂负极的稳定性29
• 1.7 Li-S电池问题的解决方法29-30
• 1.7.1 多孔碳载体29
• 1.7.2 电极添加剂29-30
• 1.7.3 阻挡层设计30
• 1.7.4 电解液添加剂30
• 1.8 本课题的研究内容和创新点30-32
• 第二章 实验方法32-38
• 2.1 实验试剂及仪器32-33
• 2.2 实验步骤33-34
• 2.2.1 多孔碳材料的制备33
• 2.2.2 正极材料的制备33-34
• 2.2.3 电解液的配制34
• 2.2.4 电池的组装34
• 2.2.5 电池的测试34
• 2.3 材料的表征34-36
• 2.3.1 XRD测试34-35
• 2.3.2 HRTEM测试35
• 2.3.3 FESEM测试35-36
• 2.3.4 BET测试36
• 2.4 电化学性能测试36-37
• 2.4.1 电池充放电性能测试36
• 2.4.2 交流阻抗测试36-37
• 2.4.3 循环伏安测试37
• 2.5 本章小结37-38
• 第三章 不同硫含量的S/C复合正极材料的制备与性能研究38-43
• 3.1 引言38
• 3.2 实验方法38-39
• 3.2.1 S/C复合材料的制备38
• 3.2.2 正极片的制备38
• 3.2.3 电池装配38-39
• 3.3 材料的表征39-40
• 3.3.1 XRD测试39
• 3.3.2 FESEM测试39-40
• 3.4 电化学性能测试40-42
• 3.4.1 电池循环性能测试40-42
• 3.5 小结42-43
• 第四章 不同碳材料的S/C复合正极材料的制备及性能研究43-57
• 4.1 引言43
• 4.2 模板比例对Li-S电池S/C复合正极材料性能的影响43-50
• 4.2.1 实验方法43-44
• 4.2.1.1 多孔碳材料的制备43-44
• 4.2.1.2 S/C复合材料的制备44
• 4.2.1.3 电极片的制备44
• 4.2.1.4 电池的组装44
• 4.2.2 材料的表征44-47
• 4.2.2.1 BET测试44-45
• 4.2.2.2 XRD测试45-46
• 4.2.2.3 FESEM测试46-47
• 4.2.3 电化学性能测试47-49
• 4.2.3.1 电池循环性能测试47-48
• 4.2.3.2 交流阻抗测试48-49
• 4.2.4 小结49-50
• 4.3 不同碳源制备的多孔碳对S/C复合材料性能的影响50-57
• 4.3.1 实验50
• 4.3.1.1 多孔碳材料的制备50
• 4.3.1.2 复合正极材料的制备50
• 4.3.1.3 电池的组装50
• 4.3.2 材料表征50-53
• 4.3.2.1 BET测试50-51
• 4.3.2.2 XRD测试51-52
• 4.3.2.3 FESEM测试52
• 4.3.2.4 HRTEM测试52-53
• 4.3.3 电化学性能测试53-55
• 4.3.3.1 电池循环性能测试53-54
• 4.3.3.2 交流阻抗测试54-55
• 4.3.3.3 循环伏安测试55
• 4.3.4 小结55-57
• 第五章 MC-Cu_2O-S复合正极材料的制备及性能研究57-66
• 5.1 引言57
• 5.2 实验57-58
• 5.2.1 MC-Cu_2O-S复合正极材料的制备57
• 5.2.2 电极的制备57
• 5.2.3 电池的组装57-58
• 5.3 材料的表征58-62
• 5.3.1 XRD测试58
• 5.3.2 FESEM测试58-60
• 5.3.3 HRTEM测试60-62
• 5.4 电化学性能测试62-65
• 5.4.1 电池循环性能测试62-63
• 5.4.2 交流阻抗测试63-64
• 5.4.3 循环伏安测试64-65
• 5.5 小结65-66
• 第六章 结论与展望66-67
• 参考文献67-73
• 攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况73

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