AAO模板改性及其在制备硫复合纳米阵列正极材料的应用研究

发布时间：2017-07-31 09:37

  本文关键词：AAO模板改性及其在制备硫复合纳米阵列正极材料的应用研究

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【摘要】：锂硫电池是近些年来科研工作者的研究热点,因其具有较高理论比容量、正极硫材料易获得、环境友好而受到广泛的期待与探索。但是在锂硫电池体系中,由于正极活性物质的绝缘及在当前正极体系下活性物质易流失导致循环性能低、实际比容量大大低于理论值,并且循环充放电时“体积效应”导致电池整体在一定的安全问题,制约了锂硫电池在现实中工业化普及。在本实验工作中,通过将多孔阳极氧化铝(AAO)模板为出发点,利用纯度为99.5%普纯铝片在常温下制备出孔径在40-80nm、厚度在10um左右的多孔阳极氧化铝模板,并通过提出的阶梯降流法对模板的阻挡层进行减薄,利用改性模板直接电化学聚合聚吡咯(PPy)纳米线阵列、制备碳纳米管作为正极导电网络结构,在对应的导电阵列中负载硫作为正极材料并组装成电池,以期改善锂硫电池的相关电化学性能。实验中采用普纯铝(纯度为99.5%),以H2C2O4作为电解液,恒电压,在30℃下,采用二次阳极氧化法制备了规整的多孔氧化铝模板。在场发射扫描电子显微镜(FESEM)观察发现普纯铝片的退火预处理对于得到规整的纳米孔结构至关重要,混合酸溶液(质量分数为分别1.8%H2Cr2O4+6%H3PO4)在60℃下对多孔氧化铝模板的腐蚀速率约为0.71um/min;质量分数为5%H3PO4溶液在室温(30℃)下对多孔氧化铝模板的扩孔速率约为1.47nm/min。为减薄阻挡层,便于利用铝-多孔氧化铝模板直接制备纳米导电阵列材料,结合实验条件提出了阶梯降流法减薄阻挡层工艺:通过确定在特定温度下不同电流-电压平衡数据,然后梯度改变二次阳极氧化电流的大小,当电流-电压达到平衡状态,马上进行下一步的降流,通过常温下的高反应速率、减少在各电压平衡状态的停留时间,实现了在常温下快速、高效减薄阻挡层。相比于传统的阶梯降压法和化学腐蚀法减薄阻挡层相比能有效保持模板形貌的同时又能避免模板底部形成“V”型孔道结构。通过阶梯降流法得到阻挡层减薄的多孔阳极氧化铝模板后,我们通过电化学聚合聚吡咯纳米线阵列,发现在乙腈(AN)+高氯酸锂(Li Cl O4)体系下,聚合电压采用恒电压0.7V极化,通过FESEM和XRD表征,发现能很好的在改性多孔模板生长出聚吡咯纳米线导电阵列结构。随后,我们也采用乙腈为碳源,在管式炉中、氩气保护下,在改性多孔模板中碳化得到碳纳米管导电阵列结构。最后通过对沉积了聚吡咯的多孔氧化铝模板的腐蚀处理获得直立的聚吡咯纳米线导电阵列结构以及利用改性模板碳化碳源得到的碳纳米管导电阵列结构,设计了改性模板+硫碳、改性模板+聚吡咯纳米线阵列+硫碳、改性模板+聚吡咯纳米线+硫+硫碳正极、改性模板+碳纳米管+硫四种电池体系,成功制备出对应的正极片,在手套箱中组装为纽扣电池,并测量部分电化学性能。
【关键词】：多孔氧化铝模板 阶梯降流法 聚吡咯 锂硫电池
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM912;TB383.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-27
• 1.1 引言10-11
• 1.2 多孔氧化铝模板概述11-17
• 1.3 锂硫电池概述17-21
• 1.4 模板法制备锂硫电池纳米结构正极材料21-24
• 1.5 本课题意义、内容和创新点24-27
• 2 实验试剂和仪器27-29
• 2.1 化学试剂27-28
• 2.2 实验仪器28-29
• 3 阳极氧化铝模板的制备和改性29-44
• 3.1 引言29
• 3.2 多孔氧化铝模板的制备29-30
• 3.3 阶梯降流法减薄模板阻挡层30-32
• 3.4 多孔氧化铝模板的扩孔和腐蚀32-33
• 3.5 分析表征和讨论33-43
• 3.6 本章小结43-44
• 4 改性氧化铝模板制备纳米导电阵列及其表征44-54
• 4.1 引言44
• 4.2 改性氧化铝模板制备聚吡咯纳米线阵列44-45
• 4.3 分析表征和讨论45-51
• 4.4 碳纳米管阵列的制备和表征51-52
• 4.5 本章小结52-54
• 5 正极片的制备和电池的组装54-65
• 5.1 引言54
• 5.2 正极的制备54-57
• 5.3 电池的组装57-58
• 5.4 电化学性能的测量58-64
• 5.5 本章小结64-65
• 6 全文总结与展望65-67
• 6.1 实验结论65-66
• 6.2 需要完善的工作66-67
• 致谢67-68
• 参考文献68-75
• 附录1 攻读硕士学位期间研究成果75

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本文编号：598548