锂硫电池正极材料的制备及性能研究

发布时间：2017-09-27 10:24

  本文关键词：锂硫电池正极材料的制备及性能研究

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【摘要】：锂离子二次电池作为普遍商业化的电池,在社会生活中起着重要重要的作用,又因其高比容量、高电压、循环寿命长、绿色无污染以及在电动汽车和便携式电子设备的广泛应用,其研究越来越深入。然而,传统的锂离子电池正极材料(如LiMn2O4、LiCoO2、LiNiO2、LiFePO4等)其理论比容量较低,越来越不能满足社会需求。单质硫其具有理论比容量高、资源丰富、价格低廉、无毒等优点,作为一种新型正极材料,被认为是最具发展潜力的正极材料之一。目前锂硫电池存在单质硫的导电性能差、生成的聚硫化物溶于电解液、电极反应过程中发生体积膨胀、易产生“穿梭效应”、活性物质利用率低、循环寿命低等问题,严重阻碍了其应用。为了解决硫电极存在的诸多问题,本论文从提高导电性能,开展了对硫正极的改性和性能提升的研究工作。1.本文介绍了单质硫、聚吡咯和多壁纳米碳管合成S/PPy/MWCNTs复合材料。首先,对多壁纳米碳管首先进行酸化处理,而后通过原位化学聚合法合成PPy/MWCNTs复合材料,再通过熔融扩散法得到S/PPy/MWCNTs复合材料。为了研究MWCNTs含量对PPy/MWCNTs复合材料性能的影响,分别添加了15%、25%、35%(质量比)的MWCNTs来改善复合材料的电化学性能。与其他材料相比,S/PPy/MWCNTs-25%的复合材料表现出最好的电化学稳定性和放电比容量。在200 mA g-1的电流密度下,纯相硫电极的放电比容量只有为647 mAh g-1,经过60次循环后,其放电比容量也仅为101 mAh g-1,与之相S/PPy/MWCNTs-25%复合材料首圈放电比容量为1282 mAh g-1,60圈循环后放电比容量依然保持在为510 mAh g-1。2.以单质硫为原料,以模板法合成管状聚吡咯,通过对制备工艺和流程进行合理选择,我们采用简单快速的球磨法制备出均匀分散的S-PPy复合材料,通过XRD、SEM等多种手段对研究其形貌和结构,同时对其循环性能和倍率性能进行了研究。在200 mA g-1的电流密度下,S-PPy初始放电比容量呈现1178 mAh g-1,而在150次循环后,S-PPy具有675 mAh g-1的放电容量,而纯硫电极的初始放电容量只有939 mAh g-1,在150次循环后,也仅有150 mAh g-1的放电容量。即使在1 C(1 C=1675 mAh g-1)的电流密度下,S-PPy高达1085 mAh g-1的初始放电比容量,100次循环后,依然保持在617 mAh g-1的放电比容量。
【关键词】：锂硫电池 正极材料 聚吡咯 导电聚合物 MWCNTs 循环稳定性
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB33;TM912
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 绪论12-30
• 1.1 引言12
• 1.2 锂硫电池概述12-16
• 1.2.1 锂硫电池工作原理13-15
• 1.2.2 锂硫电池存在的主要问题15-16
• 1.3 锂硫电池正极复合材料16-27
• 1.3.0 硫/微孔碳复合材料16-17
• 1.3.1 硫/介孔碳复合材料17-19
• 1.3.2 硫/多壁纳米碳管或纳米纤维复合材料19-20
• 1.3.3 硫/石墨烯复合材料20-21
• 1.3.4 硫/导电聚合物复合材料21-23
• 1.3.5 硫/金属氧化物复合材料23-25
• 1.3.6 硫化锂电极材料25-27
• 1.4 锂硫电池正极材料的复合方法27-28
• 1.5 本文的主要工作及意义28-30
• 第二章 电极材料的制备与表征方法30-36
• 2.1 实验药品与仪器30-31
• 2.1.1 实验药品和试剂30-31
• 2.1.2 实验仪器31
• 2.2 材料的物理性能表征31-33
• 2.2.1 扫描电子显微镜31-32
• 2.2.2 傅立叶红外光谱分析32
• 2.2.3 XRD分析32
• 2.2.4 透射电子显微镜32-33
• 2.2.5 TGA分析33
• 2.3 正极的制备与纽扣电池的组装33-34
• 2.4 电化学性能测试34-36
• 2.4.1 电池的充放电测试34
• 2.4.2 电池的循环伏安测试34
• 2.4.3 交流阻抗测试34-36
• 第三章 S/PPy/MWCNTs复合材料的制备与电化学性能研究36-50
• 3.1 引言36-37
• 3.2 S/PPy/MWCNTs复合材料的制备与电化学测试37-38
• 3.2.1 S/PPy/MWCNTs复合材料的制备37-38
• 3.2.2 电池组装及测试条件38
• 3.3 S/PPy/MWCNTs复合材料的表征与电化学性能38-42
• 3.3.1 XRD分析38-40
• 3.3.2 扫描电镜与透射电镜分析40-42
• 3.4 电化学性能测试42-48
• 3.4.1 伏安曲线42-44
• 3.4.2 充放电曲线44-45
• 3.4.3 循环性能45-48
• 3.5 本章小结48-50
• 第四章 S-PPy复合材料的制备与电化学性能研究50-64
• 4.1 引言50
• 4.2 实验部分50-51
• 4.2.1 S-PPy复合材料的制备50-51
• 4.2.2 电极片制备与测试51
• 4.3 S-PPy复合材料的表征51-56
• 4.3.1 XRD分析51-52
• 4.3.2 红外分析52-53
• 4.3.3 TGA分析53-54
• 4.3.4 扫描电镜和透射电镜分析54-56
• 4.4 电化学性能分析56-62
• 4.4.1 伏安曲线56-57
• 4.4.2 充放电曲线57-58
• 4.4.3 循环性能58-60
• 4.4.4 倍率性能60-61
• 4.4.5 交流阻抗61-62
• 4.5 本章小结62-64
• 第五章 全文总结与展望64-66
• 5.1 全文总结64
• 5.2 展望64-66
• 参考文献66-76
• 攻读硕士学位期间取得的科研成果76-78
• 致谢78

【参考文献】

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本文编号：929153