金属氧化物掺杂炭气凝胶材料制备及在锂硫电池中的应用研究

发布时间：2017-09-29 09:10

  本文关键词：金属氧化物掺杂炭气凝胶材料制备及在锂硫电池中的应用研究

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【摘要】：近些年来,锂硫电池已经成为备受世界各国研究工作者关注的下一代二次电池,因其正极硫单质具有高达1675 mAh g~(-1)的理论容量,以及高达2600 Whkg~(-1)的理论能量密度,而且价格便宜、储量大、环境无害等。就目前锂硫电池的正极材料而言,硫-碳复合材料最具有前景,而且也取得了很大的研究成果,但同时也暴漏出了相关的问题,一是单质硫的导电性差,随着产生大量Li2S导致活性物质的利用率下降。二是电池反应的中间产物多硫化物容易溶解于电解液导致电极活性物质减少,同时产生穿梭效应,从而出现了锂硫电池的循环性能、低的库伦效率和倍率性能较差,阻碍了其的商业化应用。为了解决锂硫电池硫电极在反应过程中生成的多硫化物易溶解于电解液,设计并制备了金属氧化物修饰的炭气凝胶Mnx-CA和Cen-CA,由于纳米金属氧化物强的吸附作用可以有效地稳固化多硫化物离子,并将其作为锂硫电池硫电极的载体。同时使用场发射扫描电子显微镜、场发射透射电子显微镜、X射线光电子能谱、X射线衍射以及充放电测试等表征方法来对硫-碳复合物的元素构成、晶体结构、微观形态以及电化学性能进行了测试和结果的讨论。结果表明,金属氧化物修饰的碳材料作为锂硫电池硫电极的载体在电池循环过程中能够有效地抑制多硫化物的溶解,从而显著地提高电池的循环性能和倍率性能。尤其当碳载体中金属氧化物与炭气凝胶材料的摩尔比为0.02时表现出该条件下最优的性能,电化学性能测试结果显示,0.2 C倍率下,100次循环后,Mn2-CA/S复合物电极仍能保持976.3 mAh g~(-1)的放电比容量,而且在5 C的高倍率下仍然可以得到高达670.2mAhg~(-1)的首次放电容量,展现出较好的循环性能和倍率性能,表明氧化锰的修饰可以有效地吸附多硫化物。另外,二氧化铈和碳气凝胶构成的碳载体,同样展现出优良的循环性能和倍率性能,0.2 C倍率下,100次循环后,Ce2-CA/S复合物电极仍能保持1127.6mAh g~(-1)的放电比容量,且在5C的高倍率下仍然可以得到高达768.5mAhg~(-1)的首次放电容量。表明金属氧化物的掺杂可以有效地稳固化硫和抑制多硫化物的溶解,可以显著提高复合物材料的电化学性能。
【关键词】：氧化锰 二氧化铈 锂硫电池 抑制 倍率性能
【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;TQ427.26
【目录】：

• 致谢7-8
• 摘要8-9
• ABSTRACT9-16
• 第一章 绪论16-26
• 1.1 引言16-17
• 1.2 锂硫电池概述17-20
• 1.2.1 锂硫电池工作机理17-19
• 1.2.2 锂硫电池存在的问题19-20
• 1.2.3 锂硫电池缺陷的解决途径20
• 1.3 锂硫电池正极材料研究现状20-24
• 1.3.1 活性碳/硫复合材料20
• 1.3.2 碳纳米管/硫复合材料20-21
• 1.3.3 石墨烯/硫复合材料21
• 1.3.4 多孔碳/硫复合材料21-22
• 1.3.5 导电聚合物/硫复合材料22
• 1.3.6 有机硫化物正极材料22-23
• 1.3.7 硫化锂正极材料23
• 1.3.8 杂原子掺杂炭/硫复合材料23
• 1.3.9 金属氧化物/硫复合材料23-24
• 1.4 本课题研究目的与内容24-25
• 1.5 本文的研究意义25-26
• 第二章 锂硫电池组装和复合物材料的性能表征26-31
• 2.1 实验仪器、设备、试剂26
• 2.1.1 实验仪器26
• 2.1.2 材料表征设备26
• 2.2 实验试剂26-27
• 2.2.1 锰掺杂炭气凝胶硫复合物材料实验试剂26-27
• 2.2.2 铈掺杂炭气凝胶-硫复合物材料实验试剂27
• 2.3 材料的表征27-29
• 2.3.1 X射线衍射(XRD)表征27-28
• 2.3.2 场发射扫描电子显微镜表征28
• 2.3.3 场发射透射电子显微镜表征28
• 2.3.4 X射线光电子能谱(XPS)表征28
• 2.3.5 比表面积测试28-29
• 2.3.6 元素分析29
• 2.4 材料的电化学性能测试29-31
• 2.4.1 硫正极的制备步骤29
• 2.4.2 锂硫电池电解液配置29
• 2.4.3 锂硫电池的组装29-30
• 2.4.4 恒电流充放电测试30
• 2.4.5 交流阻抗测试30
• 2.4.6 循环伏安测试30-31
• 第三章 铈掺杂炭气凝胶的制备及性能研究31-46
• 3.1 引言31-32
• 3.2 实验过程32
• 3.2.1 铈掺杂炭气凝胶复合材料的合成32
• 3.2.2 硫碳复合材料的制备(Cen-CA/S)32
• 3.3 结果与讨论32-44
• 3.3.1 铈掺杂炭气凝胶材料的XRD分析32-33
• 3.3.2 铈掺杂炭气凝胶材料的SEM和TEM分析33-36
• 3.3.3 硫碳复合物的XPS分析36-37
• 3.3.4 氮气吸附测试37-38
• 3.3.5 材料的充放电性能测试38-39
• 3.3.6 材料的循环伏安测试39-40
• 3.3.7 复合物电极的循环性能测试40-41
• 3.3.8 材料的倍率性能测试41-43
• 3.3.9 材料的交流阻抗测试43-44
• 3.4 本章小结44-46
• 第四章 锰掺杂炭气凝胶的制备及性能研究46-58
• 4.1 引言46-47
• 4.2 实验过程47
• 4.2.1 炭气凝胶材料的合成47
• 4.2.2 锰掺杂炭气凝胶复合材料的制备47
• 4.2.3 硫碳复合材料的制备(Mnx-CA/S)47
• 4.3 结果与讨论47-56
• 4.3.1 锰掺杂炭气凝胶材料的XRD分析47-48
• 4.3.2 锰掺杂炭气凝胶材料的SEM和TEM分析48-50
• 4.3.3 硫碳复合物的XPS分析50-51
• 4.3.4 复合物电极的充放电性能测试51-52
• 4.3.5 复合物电极的循环伏安测试52-53
• 4.3.6 复合物电极的循环性能测试53-54
• 4.3.7 复合物电极的倍率性能测试54-55
• 4.3.8 复合物电极的交流阻抗测试55-56
• 4.4 本章小结56-58
• 第五章 结论58-60
• 参考文献60-68
• 攻读硕士期间的成果68

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本文编号：941164