多孔生物质碳材料在锂硫电池中的应用及电化学性能研究

发布时间：2017-09-06 13:33

  本文关键词：多孔生物质碳材料在锂硫电池中的应用及电化学性能研究

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【摘要】：锂硫电池的理论比容量为1675 mAh/g,理论能量密度为2600 wh/kg,均远高于传统的锂离子电池,且硫的价格低廉、储量丰富、对环境友好,因而被认为是下一代高能量密度锂离子电池的最佳选择之一。但是锂硫电池的商业化应用仍受到多个方面的限制:一方面是单质硫本身的电子导电率过低,存在严重的极化,使得电子在活性材料表面的传输效率低下,严重制约着电池的倍率性能的提升;另一方面是活性硫在放电的过程中会分解产生可溶于电解液的多硫化物等中间产物,从而引起较严重的“穿梭效应”严重降低了电池的充放电比容量及和库伦效率。针对上述问题,本论文以生物质碳材料为研究对象,以不同的生物质材料作为碳源,通过化学造孔及高温热解的方法制备出不同多孔结构的生物质碳材料,并对其进行导电性及比表面积等相关测试,筛选出高导电性及高比表面积的多孔生物质碳基体与单质硫材料进行复合,制备出新型优异的锂硫电池正极材料。本论文采用XRD、Raman、BET、SEM、TEM等手段对这些材料的成分及微观结构进行测试分析。并通过使用恒流充放电技术和交流阻抗测试等手段对复合材料的电化学性能进行测试分析,本论文的研究工作主要包括以下两个方面:(1)以生物质竹子材料作为碳源,氢氧化钾溶液为造孔剂,用真空管式炉进行高温热解制备多孔竹碳材料并和单质硫进行复合。结果表明:当氢氧化钾浓度为1.5 mol/L,碳化温度为850°C时所制备的多孔竹炭的比表面积为1565.4 m~2/g,孔容为0.95 cm~3/g;硫碳复合材料中硫的百分含量为86%,复合正极材料以0.1 C倍率放电,首次放电比容量为1160 mAh/g;以0.2 C倍率放电时,首次和第一百次放电比容量分别为930 mAh/g和710 mAh/g,库伦效率保持在90%以上,其电化学性能远优于以纯硫作为锂硫正极的电化学性能。(2)以生物质小麦秸秆材料作为碳源,采用活化、高温热解的方法制备出高导电性、大比表面积的多孔小麦秸秆碳,比表面积和孔容分别为1066 m~2/g和0.62cm~3/g,平均孔径为2.33 nm。结果表明,当复合材料中硫的含量为74%时,电池在0.1 C倍率下放电,初始放电比容量达1213 mAh/g,循环一百次后仍保留870mAh/g,单次循环的衰减量约为0.11%,电池循环性能较稳定。
【关键词】：锂硫电池 正极材料 多孔结构 生物质碳 电化学
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;TM912
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-22
• 1.1 引言9-10
• 1.2 锂离子电池发展历程10-12
• 1.3 锂硫电池概述12-15
• 1.3.1 锂硫电池的发展简史12
• 1.3.2 硫的性质及硫电极材料12-13
• 1.3.3 锂硫电池的工作原理13-14
• 1.3.4 锂硫电池面临的挑战及解决办法14-15
• 1.4 碳材料在锂硫电池中的研究现状15-20
• 1.4.1 碳基材料的分类及制备15-17
• 1.4.2 碳纳米管17
• 1.4.3 碳纳米纤维17-18
• 1.4.4 石墨烯18
• 1.4.5 多孔碳材料18-20
• 1.5 选题意义及需解决的问题20-21
• 1.6 本文的研究内容21-22
• 第2章 实验方法22-29
• 2.1 实验原料与试剂22-23
• 2.2 实验设备23
• 2.3 材料的形貌及结构测试23-26
• 2.3.1 X射线衍射测试23-24
• 2.3.2 热重分析24-25
• 2.3.3 比表面积分析25
• 2.3.4 扫描电镜分析25
• 2.3.5 透射及电子能谱分析25-26
• 2.4 扣式电池组装及电化学性能测试26-29
• 2.4.1 手套箱的使用26-27
• 2.4.2 电极材料的制备及电池的组装27
• 2.4.3 电池充放电性能测试27-28
• 2.4.4 交流阻抗测试28
• 2.4.5 循环伏安测试28-29
• 第3章 多孔竹碳材料的制备及其在锂硫电池中的应用29-41
• 3.1 引言29
• 3.2 实验过程29-30
• 3.3 多孔竹碳及碳硫复合材料的物相及形貌分析30-35
• 3.4 多孔竹碳载硫复合正极材料的电化学性能分析35-39
• 3.4.1 循环伏安分析35-37
• 3.4.2 倍率及循环性能分析37
• 3.4.3 极片循环前后形貌分析37-38
• 3.4.4 交流阻抗分析38-39
• 3.5 本章小结39-41
• 第4章 小麦秸秆生物质碳材料在锂硫电池正极中的应用41-52
• 4.1 引言41
• 4.2 实验过程41-42
• 4.3 材料性能分析42-47
• 4.3.1 XRD分析42
• 4.3.2 热重分析42-43
• 4.3.3 比表面积测试及孔径分析43-44
• 4.3.4 拉曼测试44-45
• 4.3.5 SEM及TEM分析45-47
• 4.4 电化学性能分析47-50
• 4.4.1 循环伏安测试47-48
• 4.4.2 倍率性能分析48
• 4.4.3 循环性能分析48-49
• 4.4.4 交流阻抗分析49-50
• 4.5 本章小结50-52
• 第5章 总结与展望52-54
• 5.1 工作总结52
• 5.2 工作展望52-54
• 致谢54-55
• 参考文献55-61
• 个人简历、攻读硕士学位期间发表的学术论文61

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本文编号：803415