MOFs衍生物作为锂硫电池限硫载体的设计制备及其电化学性能研究

发布时间：2020-05-14 14:21

【摘要】：锂硫电池具有极高的能量密度(2600 Wh kg~(-1))和高比容量(1675 m Ah g~(-1)),被认为是最具有应用前景的下一代电池,已成为近年来的研究热点。尽管硫资源丰富、低成本和环境友好等优点,但硫正极本身固有的问题极大的限制了锂硫电池的实际应用。本文利用金属有机框架(MOFs)的衍生物作为限硫载体对硫正极材料进行改进,通过合理设计得到具有MOFs特性的衍生物,实现对材料的孔分布和成分比例的有效调控,成功制备出形貌良好、尺寸均匀的钴、氮共掺杂蛋黄壳结构的纳米多面体材料。该类材料用于硫正极呈现出优异的循环性能和倍率性能。此外,通过在MOFs壳层外生成TiO_2后增强了对多硫化物的化学吸附作用,使锂硫电池表现出更好的电化学性能。具体研究内容如下:1.利用静电吸附原理,在羟基化多壁碳纳米管(CNTs)外原位生长ZIF-67制备了ZIF-67/CNTs复合材料;通过熔融扩散法,制备出高含硫量的S@Co-N-C/CNTs蛋黄壳结构纳米多面体复合材料。该复合材料优异的导电性、内部中空结构对硫体积膨胀的缓冲以及钴、氮掺杂对多硫化物的化学吸附等协同作用,使硫正极表现出优异的电化学性能,当电流密度为1675m A g~(-1)(1 C)时,300次循环后的比容量达到712.2 m Ah g~(-1)。2.为了增强限硫载体对多硫化物的化学吸附作用,利用静电吸附作用在ZIF-67外面包覆一层厚度适当的无定形Ti(OH)x,碳化后得到TiO_2包覆的碳多面体。TiO_2的引入不仅增强了对多硫化物的吸附,而且也限制了内部硫的流失,使硫正极表现出良好的电化学性能,电流密度为3350 m A g~(-1)(2 C)时,300次循环后的比容量达到384 m Ah g~(-1)。
【图文】：

南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 视，并掀起了锂硫电池研究热潮。经过近 10 年的快速发展，目前关于锂硫电池的文献已经达到 5000 余篇，图 1.1 展Web of Science 中检索 lithium sulfur battery 得到的统计结果分析。近几年来，发表有硫电池的文章数量呈指数趋势增长，其中 2017 年共发表 1301 篇文献，比 2016 年增加了篇，说明锂硫电池依旧是广大科研工作者研究的热点，有助于实现锂硫电池的商业化。

这两个阶段对应于电压容量曲线的两个平台，以及循环伏安图中。如图 1.2 所示，较高的平台位于 2.2-2.3 V，这与产生长链多硫化物有关：S8+ 2 Li→Li2S8(2)Li2S8+ 2Li→2Li2S4(3)链多硫化物（Li2Sx，x≥4）可溶于电解质中，因此第一个平台是固-液转变。硫池的性能十分重要，因为此过程即使电极表面发生变化也使内部硫进行还原。溶性多硫化物容易扩散出阴极，这导致活性材料的不可逆损失。多次循环的结渐被破坏，电池再次充电时电池退化。1.9-2.1V 的较低平台对应短链多硫化物的Li2S4+2Li→2Li2S2(4)Li2S2+ 2Li→2Li2S (5)着硫链不断缩短，多硫化物的溶解度降低，电解质的粘度增加，直到不溶解的。多硫化物的液体-固体转变贡献了电池的主要容量，，较低阶段长的平台也证明
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM912

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本文编号：2663481