石墨烯改性锂硫电池正极材料的制备及其电化学性能研究

发布时间：2018-11-05 14:09

【摘要】：锂硫电池具有理论比容量高、成本低、环境友好等优点，被公认为最有前景的下一代二次电池之一。硫正极材料作为锂硫电池的重要组成部分，直接决定了锂硫电池的性能。本论文通过对锂硫电池正极材料的结构设计、改性和制备一体化研究，得到了电化学性能较好的正极材料，为锂硫电池的应用研究提供了重要参考。采用超声辅助化学沉积法和真空抽滤法制备了石墨烯-硫(RGO-S)正极材料，研究了硫含量对RGO-S正极材料电化学性能影响。采用SEM、TEM、XRD、比表面积分析仪、电池测试仪和电化学工作站等对正极材料微观形貌、晶型结构、比表面积、导电率与电化学性能进行了表征和分析，探讨了电极结构与电化学性能之间的关系。研究结果表明，，所制备的RGO-S正极材料具有石墨烯包覆硫的结构、较高的比表面积和导电率。当硫含量为26%时，0.1C倍率下，首次放电比容量可达1250mAh·g-1sulfur，50次充放电循环后仍保持598mAh·g-1sulfur。RGO包覆硫缩短了电子的传输路径、提高了硫的反应活性和化学反应动力学速率；并且通过RGO的包覆和吸附作用限制了循环过程中间产物多硫化锂的扩散和迁移，减缓了穿梭效应，使得电极材料具有较高的比容量、较好的循环性能和倍率性能。利用经酸化处理的碳纤维(FCNFs)对RGO-S正极材料进行改性。采用化学沉积法制备了一维管壳状FCNFs-S材料，并以之为前驱体制备了具有同轴包覆结构的RGO-S-FCNFs正极材料，通过对FCNFs增强改性前后正极材料微观形貌、晶型结构、导电率与电化学性能的表征和分析，探讨了FCNFs对RGO-S正极材料的增强改性机制。研究结果表明，硫含量为33%时，1C倍率下，首次放电比容量可达745mAh·g-1sulfur，1500次充放电循环后保持273mAh·g-1sulfur，具有极好的高倍率长循环稳定性。RGO和FCNFs的共同作用能够有效提高RGO-S正极材料的电导率；RGO-S-FCNFs的同轴包覆能够使得硫及其循环过程中间产物多硫化锂被包夹在石墨烯和FCNFs之间，抑制了硫的团聚，阻止了大颗粒硫的生成，降低了电极材料的内部应力和电荷转移电阻，缓解了体积和穿梭效应，从而高了RGO-S正极材料的比容量、循环性能和倍率性能。采用水热法和热处理法制备了具有高硫含量和单位面积负载量的三维结构FCNFs改性石墨烯-硫(3D-CGOS)正极材料。通过对FCNFs增强改性前后正极材料的微观形貌、晶型结构、导电率与电化学性能的表征和分析，探讨了FCNFs对3D-GOS正极材料的增强改性机制。研究结果表明，在硫含量为80%，单位面积硫负载量为11.9mg·cm-2时，FCNFs增强改性后3D-GOS正极复合材料2C倍率下的可逆放电比容量从0.5mAh·cm-2cathode提高到3.1mAh·cm-2cathode。FCNFs增强改性提高了3D-GOS材料导电性能，缩短了电子的传输路径、提高了硫的反应活性和化学反应动力学速率；并通过吸附作用将循环过程中间产物多硫化锂限制在三维结构内部，减缓穿梭效应；FCNFs改性提高了三维石墨烯的机械性能，缓解了循环过程中的体积效应，降低了电极材料的内应力，进而改善电极材料的比容量、循环性能和倍率性能。
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【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM912

【参考文献】