基于多孔导电基底的锂硫电池阴极材料设计与研究

发布时间：2019-11-02 12:34

【摘要】：储量有限的化石能源消费量的快速消耗和其使用带来的全球性的环境问题,人们迫切需要开发出高能量、大功率和高安全性的电池。人们亟待寻求减少化石能源的使用,优化能源结构的方法。为了降低经济发展中化石能源所占比重,实现能源的“绿色化”,我国出台了一系列鼓励清洁能源发展的政策措施。然而,我们所熟知的太阳能、风能、生物质能、地热能等清洁能源由于易受自然因素的影响,难以满足稳定持续的向外界供能的要求。这就需要我们寻找到能够将这类能源转化储存并稳定向外界供能的媒介装置。动力和储能电池就能够很好的实现这一功能,实现能源的空间自由和时间自由。然而,市售的动力和储能电池(铅酸、镍氢、镍镉、锂离子电池等)已不能满足人们的使用需求。因此,我们需要开发出能量密度更高、性能更优的动力和储能电池。锂硫电池的理论能量密度高达2600 Wh/kg,是人们理想的下一代动力和储能电池。此外,其活性物质单质硫还具有环境友好、价廉易得、储量丰富等优点。然而,“穿梭效应”、单质硫绝缘、体积膨胀等问题,使得锂硫电池难以实现商业化应用。单质硫的导电性差和阴极复杂的电化学反应,决定了锂硫电池研究的关键在阴极材料。本论文中,作者主要针对锂硫电池存在的问题,进行了硫/多孔碳和硫/纳米多孔金的设计及其电化学性能测试。论文包括以下两个方面的内容：1.将玉米粒退火炭化制备了多孔碳,然后通过溶剂热复合的方法成功制备了硫/多孔碳复合材料。我们将硫/多孔碳复合材料用作锂硫电池正极材料,并对其电化学性能进行测试。结果表明,在0.2C的充放电倍率下循环50次后,比容量为293mAh/g。2.首次在锂硫电池研究领域,提出了将金属单质用作阴极载体材料。设计制备了具有5～20nm孔径的纳米多孔金,并将其与单质硫复合。在1C倍率下对由S/NPG装配成的电池进行循环性能测试,在电池循环1000次后仍能获得高达610 mAh/g的比容量,表现出优异的循环性能。甚至在高达10C的倍率下对电池进行测试,循环500次后,仍可获得360 mAh/g的比容量,表现出了优秀的倍率性能。
【图文】：

过程图,电池,硫元素,充放电曲线

方程１．１邋－邋１．３），然后高氧化态的聚硫离子逐步得电子还原生成低氧化态逡逑的聚硫离子，最终生成不溶于电解液的Ｌｉ２Ｓ２和ＬｉｓＳ邋（方程１．４－１．５），，并分别对逡逑应不同的放电平台（如图１－１所示）。阴极和阳极总的反应过程分别如方程１．６逡逑和１．７所示［３０］。逡逑Ｓｇ邋＋邋２ｅ邋一邋Ｓｇ２逦（１．１）逡逑３Ｓｇ＾￣邋＋邋２ｅ－邋＾邋４Ｓｅ＾￣逦（１．２）逡逑ＺＳｅＺ－邋＋邋２ｅ＿邋一邋３Ｓ４２－逦（１．３）逡逑Ｓ４２－邋＋邋化ｉ＋邋＋邋２ｅ＿邋一邋２ＬｉｚＳ２逦（１．４）逡逑Ｕ２Ｓ２邋＋邋２Ｌｉ＋邋＋邋２ｅ—邋一化邋ｉｓＳ逦（１．５）逡逑３逡逑

充放电曲线,多孔碳,充放电曲线,倍率

们所制各的多孔碳，具有Ｈ维连续的多孔结构，孔径约为ｌ￣３ｕｍ。然后将多逡逑孔碳与单质硫按３：１的质量比分散在１邋ｍｏｌ／Ｌ的氨氧化钢溶液中，２８０°Ｃ水热逡逑化，经多次离屯、洗冻得到硫／多孔碳复合材料（如图２－１邋ｄ）。从图中我们可Ｗ逡逑明显地观察到单质硫与多孔碳形成了很好的复合材料。逡逑（ａ）逦１００－—逦—「仆）逡逑■邋Ｉ逦飞逡逑■ｆｒ邋１逦＼逦Ｓ邋８５－逦＼逦口．９１％逡逑Ｉ邋１，１邋嘶Ｉ逦＼逡逑奏Ｉ逦Ｊ＿＿逡逑Ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋？邋Ｉ—＇—＼—＇—Ｉ—＇—Ｉ—Ｈ逦＊逦１逦？逦？逦？邋Ｉ邋？邋Ｉ邋？邋Ｉ逡逑１０逦２０逦３０逦４０逦５０逦６０逦７０邋如逦１００逦２００逦３００逦４００邋＼逦５００逦６００逡逑２０邋（Ｄ巧ｒｅｅ）逦ＴｅｍｐｅｒａｈＪｉ＾ｅ邋作？）逡逑图２－２邋（ａ）？多孔碳和硫／多孔碳复合材料的ＸＲＤ衍射花样；（ｂ）硫／多孔碳复合逡逑材料在Ｎ２气氛下的ＴＧＡ曲线。逡逑对比观察多孔碳和硫／多孔碳复合材料的ＸＲＤ衍射花样（如图２－２邋ａ所逡逑示），我们可Ｗ看到，硫／多孔碳前驱体较多孔碳有明显的硫的衍新峰（ＪＣＰＤＳ逡逑４２－１２７８，邋ＪＣＰＤＳ邋６５－１１－１）。由此我们可知，退火后多孔碳与硫成巧Ｉ：合。观察逡逑硫／多孔碳复合材料在Ｎ２气氛下的ＴＧＡ曲线，我们可Ｗ观察到在１５０邋￣邋２８０邋’Ｃ逡逑温度范围内有一个明显的失重过程，失重比例约为２７．９１％，这一结果与硫和多逡逑孔碳的复合比例（质量比１：３）相一致。■逡逑图２－３邋ａ为同一电极片在０．２邋Ｃ倍率下硫／多孔碳复合材料在不同循环次数逡逑的充放电曲线。首次的放电容量明显高于相应的充电过程。由方程２．１
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM912

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