聚碳酸丙烯酯聚合物在高能量锂硫电池中的应用性研究

发布时间：2020-08-09 16:40

【摘要】：由于低成本、环境友好和超高的理论比容量,锂硫电池有望成为下一代高能量储备系统之一。然而,由中间产物多硫化锂LiPSs所诱发的穿梭效应造成活性材料的不可逆损失、容量快速衰减、库伦效率低和严重的自放电等问题,是阻碍锂硫电池实际应用的最大障碍之一。采用聚合物电解质取代液态电解液是解决这一问题的有效方法之一。PPC作为环境友好的高分子材料在锂离子电池等能量存储或转换领域已经获得了越来越多的关注,但是其在锂硫电池中的应用还未曾被报道。另一方面,S/PAN复合物作为第二类硫基复合正极材料的典型代表,因具有制备简单、硫利用率高和库伦效率高等优点,被视为最具有发展前景的一类锂硫正极材料。本文首先对S/PAN复合材料的制备过程进行了工艺改进,得到了S/PAN-Y10+5;然后又通过液相溶液搅拌法得到了掺杂纳米SiO_2的PPC基复合聚合物电解质溶液,进而制得G-PPC-CPE和PPC-CPE,并探究了它们在(S/PAN)/Li中的电化学性能。实验结果表明:经过压片和前期热熔融处理的S/PAN-Y10+5复合材料具备更好的电化学性能;相比于液态电解液组装的电池,(S/PAN)/G-PPC-CPE/Li的电化学性能得到了大幅度地提高,特别地(S/PAN)/G-PPC-CPE/Li在0.1 A·g~(-1)电流密度下,循环500圈后仍能放出高达597.3mAh·g~(-1)_(composite)(1422.1 mAh·g~(-1)_(sulfur))的容量,容量保持率高达85.0%;相比于PEO基的复合聚合物电解质PEO-CPE,PPC-CPE具有更高的离子电导率(7.36×10~(-4) S·cm~(-1),50°C)和Li~+离子迁移数(0.86,50°C),(S/PAN)/PPC-CPE/Li在电流密度为2.0 A·g~(-1)下循环100圈仍能放出554.2(1319.5)mAh·g~(-1)_(composite)(mAh·g~(-1)_(sulfur)),容量保持率为88.3%。综上可知,PPC基聚合物电解质与S/PAN复合材料具有极好的兼容性,从而有望实现更高性能的高能量锂硫电池。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM912
【图文】：

转换设备,锂离子电池,对比图,能量

1-1 锂硫与锂离子电池的能量对比图（a）和不同电化学能量储存和转换设备的能量b）2 锂硫电池的简介2.1 锂硫电池的工作原理如图 1-2 所示[12]，典型的锂硫电池系统由锂负极、硫正极以及浸入有机电中的隔膜构成，属于可重复充放电的二次电池。放电时，正极上的 S 与来自属负极上的 Li+离子结合并得电子发生还原反应逐步生成多硫化物中间Li2Sx，2≤x≤8），最终生成硫化锂（Li2S）；充电时，正极上的 Li2S 首先被为多种低价的多硫化物，随后进一步氧化为高价的多硫化物，并最终氧化为的 S8。[11]充放电曲线如图 1-3 所示[12]：

电池结构

传统的锂硫电池结构图

形貌,复合物,颗粒,材料

图 3-1 S/PAN 复合物制备过程黄色和白色的球分别代表 S 和 PAN 颗粒3.3 结果与讨论3.3.1 S/PAN 复合材料表征图 3-2 展示了不同制备工艺下 S/PAN-S5、S/PAN-Y5 和 S/PAN-Y10+5 三种复合材料的 SEM 和 TEM 图。从图（a）-（d）可以看出，相比于没有经过烧结前压片的材料 S/PAN-S5，经过预前压片的材料 S/PAN-Y5 具有颗粒更小和颗粒之间堆积紧密的形貌特点。从图（c）-（f）可以看出，经过热解前熔融混合的材料 S/PAN-Y10+5 具有颗粒间堆积更加紧密、颗粒分布更加均一的的特点。从图（e）和（f）可以看出，每个 S/PAN-Y10+5 材料的颗粒大小范围在 100-150 nm。更紧密的堆积和更小的颗粒分布结构将有利于锂离子（Li+）和电子在材料中的快速迁移。

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