碱金属-硫二次电池正负极材料的优化探索

发布时间：2020-07-19 10:56

【摘要】：室温碱金属-硫二次电池(包括锂硫电池和钠硫电池)是极具有竞争力的下一代电池体系。其中,S正极材料的理论容量高达1672 mAh g~(-1),被认为是一种理想的正极材料。Li、Na、K三种碱金属的理论容量分别高达3861 mAh g~(-1)、1166 mAh g~(-1)和685 mAh g~(-1),被认为是几种最理想的负极材料。虽然碱金属-硫二次电池具有上述性能优势,但是目前其研究还面临着一些挑战。这些挑战主要是来自于充放电过程中产生的多硫化物中间产物所引起的穿梭效应,以及负极碱金属在循环过程中不均匀沉积导致的安全问题。因此,本论文通过设计硫正极和碱金属负极,分别在单电极(正极或负极)的研究中取得了一定成果。然后将设计好的碱金属负极与包括硫正极在内的不同正极材料进行配对,进一步证明了我们策略的可实用性。具体研究内容如下:在第一个工作中,我们发现金属铜与硫之间具有极强的化学相互作用。将泡沫铜投入含有碱金属多硫化物的水相或非水相溶液中,泡沫铜均会自发与多硫化物发生反应,并在泡沫铜表面生成形貌可控的硫化亚铜(Cu_2S)纳米片,从而将硫固定在泡沫铜表面,从源头上解决了穿梭效应。我们将泡沫铜分别用作锂硫电池和钠硫电池正极的固硫载体,提出了化学键固硫的新概念。最终在锂硫电池中获得了可循环1000次以上,容量高达1200 mAh g~(-1)的等价硫正极材料;在钠硫电池中获得了可循环400次以上,容量高达400 mAh g~(-1)的等价硫正极材料。为硫正极固硫提供了一种普适的方法。在第二个工作中,我们为碱金属负极(Li、Na和K)的稳定沉积循环提出了一种普适且直接的策略。通过在碱金属负极表面覆盖一层商业碳纸,碱金属在碳酸酯类电解液和醚类电解液中的沉积/氧化过电势和循环稳定性就会得到显著优化。当电流密度高达5 mA cm~(-2)时,碳纸保护的金属锂负极可实现~4000圈的超长循环,碳纸保护的金属钠可实现~1200圈的超长循环,碳纸保护的金属钾可实现~3000圈的超长循环。除此之外,我们将碳纸保护的金属锂与钛酸锂(LTO)电极材料配对,将碳纸保护的金属钠分别与磷酸钒钠(NVP)正极材料和上文提到的等价硫正极配对,均获得了更优异的全电池循环性能。
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM912
【图文】：

销售状况,中国汽车,历年,化石能源

引言燃料─煤、石油和天然气的使用极大促进了工业化发展，便利。时至今日，全球的能源结构仍然以化石能源为主。据统计，有能源使用量中占比超过百分之八十五。但化石能源是一种不，无法满足人们日益膨胀的能源需求。人们正在面临着能源枯竭年的汽车需求为例（图 1.1），从 2005 年到 2017 年 5 月，汽车势，每年新增汽车数量高达 1000-2000 万台，以每辆车年行驶里算，每年新增燃油消耗将高达 40 亿升。化石能源的使用所带来开始逐步显现，其导致的气候异常已经开始影响人们的生活。高化石能源利用率的同时，寻找可替代的可再生清洁能源是人。

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碱金属-硫二次电池正负极材料的优化探索第三章过渡金属铜辅助的金属-硫二次电池的研究橙色溶液中反应，测试其与 Na2S4水溶液的反应性。1 min 后取出，肉眼观察金属表面变化。图 3.1 是上述过渡金属与 Na2S4水溶液反应后金属表面变化的图片。从图 1 可以看出，铜箔与 Na2S4溶液直接接触的部分迅速变黑，反应速度很快。在相同条件下，没有其他金属可以与 Na2S4水溶液发生反应。由此，我们用一个简单的实验证明了金属铜和多硫化物之间强烈的化学相互作用，即金属铜具有极强的固硫能力。

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硫后的 Cu 2p 和 S 2p XPS 图谱。接下来我们通过多种表征技术确定泡沫铜固硫后，表面生成的黑色物质的组成和微观结构。如图3.2c所示，其X射线衍射（XRD）图谱与六方Cu2S（PDF＃89-2670）的图谱完全一致。其中还可以观察到来自金属 Cu 底物的强衍射峰，说明泡沫铜与多硫化物反应后只在表面生成了一层均匀的 Cu2S，内部的泡沫铜骨架依旧保持完整。泡沫铜固硫后的 X 射线光电子能谱（XPS）显示 Cu 2p 3/2 峰和 S 2p 3/2 峰分别位于 932.6 eV 和 162.0 eV（图 3.2d,e），同样与 Cu2S 的标准 XPS 能谱高度一致。

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