高比容量锂硫电池正极硫@导电复合材料的制备与电化学研究

发布时间：2017-08-02 10:33

  本文关键词：高比容量锂硫电池正极硫@导电复合材料的制备与电化学研究

  更多相关文章： 锂硫电池 正极 导电复合 碳材料

【摘要】：伴随着社会的发展,能源紧缺和环境恶化逐渐成为人类社会面临的两大难题,而研究可持续的清洁能源有助于缓解这两大难题。锂离子电池作为新一代的二次电源,已成为当代社会极为重要的能量存储与转换设备,近年来受到了广泛关注。在众多锂离子电池中,锂硫电池具有比容量高、成本低、储量丰富、环境友好且易回收等优势,在能量存储方面展示出了诱人的应用前景,含硫正极材料也因此成为下一代锂离子电池中最具有开发潜力的正极材料之一。但单质硫导电性极差,且硫及其放电产物易溶于有机溶剂,导致正极活性物质利用率低、循环性能差、充放电速度慢等问题。为此,本文采用硫与碳基导电介质复合的思路制备正极材料,主要开展以下研究工作:其一,以一锅法制备硫@聚吡咯(S@PPy)复合材料。实验中Fe Cl3同时起到了S生成的氧化剂和吡咯聚合的催化剂;制得的PPy球壳导电性和离子传导性良好,同时具有适中的厚度和充足的容积;曲拉通-100(TX-100)不但有效维持了硫颗粒的粒度和分散性,也促进了PPy对硫的包覆;而H3PO4的添加则改善了材料整体的动力学性能。表征和测试数据表明:本复合材料具有好的容量循环保持率和更好的动力学性能,材料装配成全电池后首次容量为810 m Ah g-1,经50次循环测试后仍保有约600m Ah g-1的容量,容量保持率为74%。其二,通过还原氧化石墨烯包覆策略制备硫@还原氧化石墨烯(S@r GO)复合材料;在TX-100的作用下,以一锅法制备出S@GO复合材料并使用HI还原GO从而获得S@r GO。结果表明:TX-100有效地阻止了微米硫颗粒的团聚并使石墨烯可靠地包覆在了硫颗粒上;HI还原后获得的r GO显示出了更好的导电性、柔性和电化学稳定性,有效抑制了充放电过程的穿梭效应。S@r GO中硫的质量分数高达85%,在0.05 C的电流密度下,组装成的全电池200次充放电循环后保持了约980 m Ah g-1的比容量,显示出了优异的容量保持率和循环寿命。同时,经过还原的复合材料也表现出了更高的倍率性能和更低的电阻。其三为硫@超薄微孔碳(S@UMPC)。以糖为碳源,以氧化石墨烯为模板,在表面活性剂的辅助下通过水热自组装碳化和高温烧结等方法制备了孔径为0.58-0.68 nm且总厚度约50 nm的三明治夹层结构的UMPC。微孔的孔径能够稳定地贮存小分子硫,令S8无法生成,从而在根本上解决了可溶性硫聚阴离子在电解液中的溶解损失。同时,UMPC和S之间的紧密接触、还原程度较高的石墨烯和微孔碳材料都提供了更为出色的导电性能;而UMPC的三明治状超薄三维结构和丰富的褶皱所提供的巨大的比表面积提升了该正极材料的倍率性能。该复合正极材料在经历150次0.1 C倍率的充放循环后保有900 m Ah g-1的容量,在3 C的高倍率下拥有约710 m Ah g-1的容量,且硫质量分数可达50%。本文分别设计并合成了S@PPy、S@r GO、S@UMPC三种复合材料,对其设计思路、合成方法进行了研究讨论,并对其物理性质进行了表征。通过将其装成电池,利用交流阻抗、循环伏安和充放电循环测试对材料性能进行了综合评价。结果表明:上述策略均在不同程度上提升了锂硫电池正极的性能,显著地提升了锂硫电池的实用性及其应用前景。后期将继续开始对高硫载量和利用率含硫正极材料的设计,以期获得高能量密度和倍率性能的电极材料。
【关键词】：锂硫电池 正极 导电复合 碳材料
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM912
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-12
• 第一章 绪论12-29
• 1.1 课题来源12
• 1.2 引言12-15
• 1.3 本课题研究目的与意义15-16
• 1.4 锂硫电池的工作机理及现存问题16-18
• 1.4.1 锂硫电池的工作机理16-17
• 1.4.2 现存的主要问题17-18
• 1.5 含硫正极材料研究进展18-27
• 1.5.1 硫-氧化物复合材料18-19
• 1.5.2 硫-导电聚合物复合材料19-21
• 1.5.3 硫-碳复合材料21-27
• 1.6 课题的提出与本文研究内容27-29
• 第二章 实验原料、设备与方法29-34
• 2.1 实验原料29-30
• 2.2 实验设备30-31
• 2.3 实验方法31-34
• 2.3.1 微观形貌与结构分析31-32
• 2.3.2 电池组装与测试32-34
• 第三章 硫@聚吡咯复合材料制备与性能研究34-48
• 3.1 引言34
• 3.2 实验部分34-35
• 3.2.1 实验试剂及仪器34
• 3.2.2 材料制备与合成34-35
• 3.2.3 材料表征与分析测试35
• 3.3 结果分析与讨论35-47
• 3.3.1 S@PPy复合材料的设计策略35-37
• 3.3.2 S@PPy复合材料的物理表征与分析37-41
• 3.3.3 S@PPy复合材料的电化学测试分析41-47
• 3.4 本章小结47-48
• 第四章 硫@还原氧化石墨烯复合材料制备与研究48-63
• 4.1 引言48
• 4.2 实验部分48-50
• 4.2.1 实验试剂及仪器48
• 4.2.2 材料制备与合成48-49
• 4.2.3 材料表征与分析测试49-50
• 4.3 结果分析与讨论50-62
• 4.3.1 HI还原效果的验证51-52
• 4.3.2 TX-100 相关的表征与效果验证52-53
• 4.3.3 材料形貌表征与硫含量分析53-55
• 4.3.4 XRD与Raman结果分析55-57
• 4.3.5 电化学测试与结果评价57-62
• 4.4 本章小结62-63
• 第五章 小分子硫@超薄微孔碳复合材料的制备与性能研究63-81
• 5.1 引言63-64
• 5.2 实验部分64-66
• 5.2.1 实验试剂及仪器64
• 5.2.2 材料制备64-65
• 5.2.3 材料表征与分析测试65-66
• 5.3 结果分析与讨论66-80
• 5.3.1 复合材料设计及形貌分析66-71
• 5.3.2 S@UMPC的电化学性能测试与评价71-74
• 5.3.3 煅烧工艺的评价与优化74-77
• 5.3.4 S@UMPC材料中的碳硫相互作用77-78
• 5.3.5 复合材料最佳含硫量的探讨78-80
• 5.5 本章小结80-81
• 第六章 结论与展望81-83
• 6.1 全文结论81-82
• 6.2 展望82-83
• 参考文献83-90
• 作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文90
• 作者在攻读硕士学位期间所参与的项目90-91
• 致谢91

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本文编号：608864