纳米氧化钇—科琴黑复合隔膜改性在锂硫电池中的应用研究

发布时间：2020-09-25 14:26

　　 20世纪90年代初,锂离子电池作为电子产品的电源开始被广泛应用。近些年来,随着环境问题的日益突出和人们对于电池续航能力的强烈需求,许多专家开始探究高能量密度的电池体系。以硫为电池正极,锂为负极的储能体系,其理论能量密度高达2600 Wh kg~(-1),使得锂硫电池开始成为储能装置的研究热点。但是,锂硫电池有许多缺陷尚需解决,比如:硫正极和放电终产物的电子/离子电导很差,活性物质在充放电反应过程中体积膨胀/收缩严重,以及反应的中间产物聚硫锂易溶于电池的有机电解液从而扩散到负极造成穿梭效应,这些缺陷都使得它的商业化过程受到了阻碍。本文针对锂硫电池体系中聚硫锂的穿梭效应造成的电池活性物质利用率低,循环稳定性差,电池极化严重等问题,提出了利用导电碳材料与氧化钇的复合物作为锂硫电池隔膜改性涂层的解决方案。导电碳与氧化钇复合物改性涂层中的高比表面积碳材料对聚硫锂有很强的物理吸附力,同时,导电碳中镶嵌的氧化钇颗粒对聚硫锂存在化学吸附和催化作用。导电碳的物理吸附以及氧化钇的化学吸附与催化产生的协同效应既能够抑制锂硫电池穿梭效应,又提高了活性物质的利用率,大大改善了锂硫电池的电化学性能。论文研究的主要内容和成果如下:第一部分的实验以商业的纳米氧化钇为主要的隔膜改性材料,通过机械混合的方式将改性材料涂覆在商业隔膜表面,来研究氧化钇在隔膜改性电池中的作用。将纳米氧化钇改性隔膜的电池和没有隔膜改性的电池进行对比,隔膜改性的电池在0.1 C的初始放电容量为1339.1 mAh g~(-1);1 C下循环200圈后,电池的放电比容量从942.6 mAh g~(-1)降为了659.8 mAh g~(-1),容量保持率为70%,高于没有改性电池的容量保持率(51.4%)。隔膜改性电池的倍率性能同样优于没有隔膜改性的电池,这些电化学性能的改善都归功于改性隔膜上的纳米Y_2O_3涂层。涂层中丰富的孔道结构方便了电解液的浸润,为离子的快速传输提供了途径,并且涂层还可以作为抑制聚硫锂穿梭的物理阻挡层,提高活性物质的利用率。更进一步的从测试结果分析,纳米Y_2O_3颗粒还可以在电化学反应过程中起到催化和化学吸附作用。但由于购买的商业纳米氧化钇颗粒大小不均一,且金属氧化物较差的导电性都会影响改性电池的性能。因此,我们进行了第二部分的实验:将氧化钇颗粒镶嵌于高比表面积的导电碳中。第二部分实验采用湿法浸渍和冷冻干燥的方法,制备出了氧化钇颗粒复合科琴黑碳材料(KB)。复合物的检测结果显示,纳米氧化钇颗粒大小为5~10 nm,且均匀地分布在碳材料的孔道中。为了研究纳米氧化钇颗粒在隔膜改性涂层中的作用,我们将使用氧化钇-科琴黑复合物改性隔膜的电池同使用纯科琴黑改性隔膜的电池进行对比。测试结果显示,使用氧化钇-科琴黑复合物改性隔膜的电池在0.1 C下的初始放电容量高达1362.1 mAh g~(-1),循环200圈后容量保持率为76.5%。在相同的测试条件下,使用氧化钇-科琴黑复合物改性隔膜的电池性能都优于使用纯科琴黑改性隔膜的电池。分析原因可能是:氧化钇-科琴黑复合物中的高比表面,高导电性的碳材料提供了一个多孔的导电骨架,便于离子的快速穿梭,并抑制了聚硫锂的穿梭,起到了物理吸附的作用;同时碳孔道中均匀分布的纳米氧化钇颗粒作为活性位点吸附了众多的聚硫锂,起到了化学吸附和催化的作用,进一步提高了活性物质的利用率和电池的反应动力学。
【学位单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM912
【部分图文】：

化学反应过程,电压曲线,充放电,电池

纳米氧化钇-科琴黑复合隔膜改性在锂硫电池中的应用研究 5 倍。池的基本工作原理池里，如果正极的活性物质硫和负极锂片充分反应，并完化还原过程为：2Li+S→Li2S。下，多个硫原子聚集在一起形成不同的结构，但是环状放电过程中，环状 S8很难一步形成 Li2S，通过多个反应i2S2，在图 1.1 中主要体现为放电过程中的两个电压平台

示意图,有序介孔,示意图,碳材料

能够包覆绝缘硫等特性，最常见的材料就是碳材料导电材料，可以促进硫正极的氧化还原反应，同时也可以应产物。常用的复合正极中的碳材料有炭黑[31-33]，微孔碳[3[39-45]，中空碳球[46-48]，碳纳米管[49-56]，碳纤维[57-60]和石墨结合力的碳材料和硫进行复合，电池的循环性能较差，L羟基生物大分子修饰的介孔碳和硫进行复合，制备正极基和羟基的生物大分子涂覆在有序多孔碳的表面，可以有锂。氨基/羟基和聚硫锂之间的强结合力可以预防反应中绝缘的反应终产物的扩散，示意图如下所示。而且该涂覆层合正极中的涂层可以提高电池的循环性能和库伦效率。改伦效率为 81.7%，相同的循环圈数下，有生物分子涂覆的的电池放电比容量要高。

正极,自组装,水凝胶,海绵

纳米氧化钇-科琴黑复合隔膜改性在锂硫电池中的应用研究，也提高了活性物质的利用率。文中采用还原诱导自组装的方法，简单易三维的结构有利于锂离子的传输，增强了正极对于电解液的吸收，最终以进行高效的电化学反应。测试结果显示：在 1Ag-1的高倍率下，循环，改性电池的放电容量还稳定在 580 mAh g-1，同时每圈的容量衰减3%。制备流程如图 1.3 所示：

【参考文献】