基于金属化合物修饰炭气凝胶的硫电极制备及锂硫电池性能研究

发布时间：2020-05-06 15:16

【摘要】：锂硫电池(Li-S)其高能量密度(2600 wh kg~(-1))和硫电极丰富、廉价、无毒和高理论容量(1675 mAh g~(-1))吸引了人们越来越多的关注,有望成为下一代锂电池的发展方向。但是锂硫电池仍然有几个问题需要解决:硫单质和产物硫化锂(LiS_2/Li_2S_2)的绝缘性,反应过程中的体积膨胀和可溶性多硫化锂的扩散引起的“穿梭效应”。这些问题都严重地阻碍了锂硫电池进一步的应用。本文分别采用原位溶胶凝胶法以及水热法成功地制备氮掺杂炭气凝胶(NCA),Cr_2O_3改性炭气凝胶(Cr-CA)和WO_3修饰N掺杂炭气凝胶(WNCA)复合材料。将这些材料作为硫单质的碳基载体,制备出复合硫电极材料用于锂硫电池,通过XRD、SEM、TEM、XPS和TG等表征手段分析材料的元素组成和形貌结构。再使用一系列的电化学测试方法,研究N掺杂和金属氧化物修饰对硫电极电化学性能的影响。结果表明,三氧化二铬的掺杂显著减小了炭气凝胶的尺寸并形成了网络互连结构。纳米Cr-CA复合材料具有较大的孔体积和较高的比表面积,具有较强的吸附能力,可有效固定多硫化物。Cr-CA/S电极表现出优异的电化学性能,具有高比容量和循环稳定性。特别是Cr2-CA/S阴极在电流倍率为0.2 C和2 C的初始比容量分别为1343和987 mAh g~(-1)。并且它具有良好的长循环寿命,在0.5 C下经过300次循环后放电容量仍能达到873 mAh g~(-1)。其优良的电化学性能主要归功于Cr_2O_3对多硫化物的特殊锚定作用及其对氧化还原反应的催化效果。N掺杂后的碳球尺寸大小更加均匀,并且形成3D互联网状结构。并且,原位氮掺杂引入了丰富活性位点用来吸附多硫化物。WO_3的修饰和N原子的掺杂的协同作用显著地增强与多硫化物的化学亲和力,对多硫化物有效锚定作用。因此,复合材料表现出优异的电化学性能,具有高比容量和循环稳定性。WNCA/S复合阴极在0.2 C下可达到1204 mAh g~(-1)的高放电容量。在0.5 C倍率下经过300圈的循环每个循环的容量衰减率仅为0.094%。
【图文】：

示意图,反应过程,产物,曲线

图 1. 1 锂硫电池结构示意图Fig 1.1 Schematic diagram of lithium-.2[8]和以下 5 个反应方程式中可以看出锂硫电池的反应原理在二个平台，第一个平台范围在 2.3 V 左右对应方程式（1.1被还原成中间产物为高阶的 Sn2-（4≤n≤8）并且与锂离子反些高阶多硫化锂溶于电解液中。随着放电反应的进行，第 V 左右，对应于方程式（1.4）和（1.5），，多硫离子与锂离解液的低阶 Li2S2和 Li2S。充电过程则与放电反应完全相反化成 Li2Sn再进一步生成 S8分子，充放电反应中反应物的液-固，这种相变化的化学反应过程不同于传统锂离子电池应原理。

工艺图,工艺图,复合材料,炭气凝胶

第三章三氧化二铬掺杂炭气凝胶正极材料的制备及其性能研究学进行理论计算方法和计算电子结构。因此，我们通过选择一些金属化合物来调节碳材料的微观结构和形貌，从而制定新的研究方案。同时，也通过量子力学的计算了解掺杂金属化合物对多硫化物的锚定机理。在这项工作中，我们致力于通过建立电化学实验和量子力学相结合的方法对Cr2O3与多硫化锂的特殊化学相互作用机制进行全面了解。本章我们提出了一种简便、高效的原位法去合成 Cr2O3掺杂炭气凝胶微介孔复合材料（Cr-CA），作为锂硫电池正极材料。下图 3.1 详细的阐述了 Cr-CA/S 复合材料的合成过程。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ427.26;TM912

【参考文献】