纳米石墨片的制备及其在锂-硫电池中的应用研究

发布时间：2017-08-31 14:04

  本文关键词：纳米石墨片的制备及其在锂-硫电池中的应用研究

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【摘要】：锂-硫电池具有很高的理论容量和能量密度,且单质硫成本低廉、来源广泛和环境友好,因此锂-硫电池备受研究者关注。但是,锂-硫电池也存在单质硫导电性差、放电产物易沉积等缺点,造成充放电比容量衰减及循环寿命缩短。近些年,研究者们致力于将硫单质与其他材料进行复合,以提升锂-硫电池的整体性能。纳米石墨片具有导电性好、缺陷结构少和比表面积较高等特点,将其与硫进行复合,有望成为良好的锂-硫电池电极材料。本论文采用液相剥离与机械球磨相结合的方式制备了纳米石墨片,进而将其与硫、电纺碳纳米纤维、银纳米线等材料进行复合,得到了一系列新型的复合纳米材料,并采用SEM/EDS、XRD、Raman和TG等手段进行了较为系统的表征,最后将所制备的一些复合材料制作成锂-硫电池,研究其电化学性能。首先,采用液相剥离与机械球磨法制备纳米石墨片,研究了一些工艺参数(溶剂的种类和浓度以及球磨的转速、时间和球料比等)对其厚度的影响。通过优化制备工艺,规模化地制备出厚度可达3~5 nm的纳米石墨片。本研究得出的较为理想的制备工艺参数条件是:将初始浓度为0.5 mg/m L的石墨,在水杨酸苯酯浓度为17.852 mg/m L的苯甲酸苄酯溶液中超声10 h;之后,以球料比50:1、大小球质量比1:5、溶剂50 m L、500 rpm条件下球磨5 h制备纳米石墨片。进而,本论文将纳米石墨片与纳米硫进行复合制得了纳米石墨片-硫复合材料,通过组装成锂-硫电池对其进行电化学性能测试,发现0.2C时,放电比容量可以达到275 m Ah/g。但是,在循环充放电过程中,电池的容量衰减比较严重,表明纳米石墨片并不具备石墨烯一样的超高比表面积和孔容量,对纳米硫的极化只能起到一定程度上的限制作用。最后,基于银纳米线具有较高的电导率,通过分别对碳纳米纤维及纳米石墨片浸渍银纳米线的方式,与升华硫复合后得到碳纳米纤维-银纳米线-硫和纳米石墨片-硫-银纳米线复合材料,也通过组装成锂-硫电池对其进行了电化学性能测试,研究了银纳米线对不同碳基材料的电化学性能的影响。研究发现,银纳米线对纳米石墨片-硫复合材料的电导率及硫的吸附能力有显著的改善作用。经过加热后,碳纳米纤维-银纳米线-硫复合材料形成了独特的形貌结构,在0.2C时,该材料的放电比容量达到350 m Ah/g。但是,由于硫化银在碳纳米纤维及纳米石墨片的表面形成,从而使得碳基材料不能较好地实现对硫极化所产生的“穿梭效应”的抑制作用,令锂-硫电池的比容量衰减情况仍然较为严重。
【关键词】：纳米石墨片 碳纳米纤维 银纳米线 液相剥离 机械球磨 硫-碳复合材料 锂-硫电池
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM912
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-25
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义11-13
• 1.2 石墨烯及其制备方法的研究13-18
• 1.2.1 石墨烯及其应用领域概述13-14
• 1.2.2 石墨烯制备方法的对比14-18
• 1.3 锂-硫电池的研究现状18-24
• 1.3.1 锂-硫电池介绍18
• 1.3.2 锂-硫电池工作原理18-19
• 1.3.3 锂-硫电池正极材料发展现状19-20
• 1.3.4 吸附型正极材料20-22
• 1.3.5 包覆型正极材料22-24
• 1.4 本文的主要研究内容24-25
• 第2章 实验试剂、仪器及研究方法25-33
• 2.1 主要的实验药品及试剂25-26
• 2.2 主要的实验仪器与设备26-27
• 2.3 纳米石墨片及硫/碳复合材料的制备及物理表征研究27-30
• 2.3.1 纳米石墨片的制备27
• 2.3.2 硫-碳复合材料的制备27-28
• 2.3.3 场发射扫描电子显微镜（SEM）分析28-29
• 2.3.4 拉曼（Raman）光谱分析29
• 2.3.5 X衍射（XRD）分析29
• 2.3.6 X射线能谱仪（EDS）分析29-30
• 2.3.7 热重（TG）分析30
• 2.4 锂-硫电池的制备及电化学性能表征研究30-33
• 2.4.1 正极片的制备30
• 2.4.2 锂-硫电池的装配30-31
• 2.4.3 交流阻抗（EIS）测试31
• 2.4.4 循环伏安（CV）测试31-32
• 2.4.5 恒流充放电测试32-33
• 第3章 纳米石墨片的制备及影响因素研究33-47
• 3.1 液相剥离制备纳米石墨片33-37
• 3.1.1 液相剥离制备纳米石墨片的机理33-34
• 3.1.2 液相剥离溶剂的选取34-35
• 3.1.3 水杨酸苯酯含量对纳米石墨片厚度的影响35-37
• 3.2 机械球磨制备纳米石墨片及影响因素的研究37-46
• 3.2.1 机械球磨转速及时间对纳米石墨片厚度的影响37-39
• 3.2.2 机械球磨球料比对纳米石墨片厚度的影响39-41
• 3.2.3 机械球磨大小球质量比对纳米石墨片厚度的影响41-44
• 3.2.4 机械球磨所需溶剂体积对纳米石墨片厚度的影响44-46
• 3.3 本章小结46-47
• 第4章 不同碳基的硫-碳复合材料制备及性能研究47-75
• 4.1 纳米石墨片-硫复合材料的制备及其性能研究47-56
• 4.1.1 表面形貌及成分分析47-49
• 4.1.2 物相结构分析49-50
• 4.1.3 热分析50-51
• 4.1.4 样品的交流阻抗谱51-52
• 4.1.5 样品的充放电性能52-54
• 4.1.6 样品的循环伏安特性54-55
• 4.1.7 样品的循环性能55-56
• 4.2 碳纳米纤维-银纳米线-硫复合材料制备及其性能研究56-66
• 4.2.1 表面形貌及成分分析56-59
• 4.2.2 物相结构分析59-60
• 4.2.3 热分析60-61
• 4.2.4 样品的交流阻抗谱61-62
• 4.2.5 样品的充放电性能62-64
• 4.2.6 样品的循环伏安特性64-65
• 4.2.7 样品的循环性能65-66
• 4.3 纳米石墨片-硫-银纳米线复合材料制备及其性能研究66-74
• 4.3.1 表面形貌及成分分析66-68
• 4.3.2 物相结构分析68-69
• 4.3.3 样品的交流阻抗谱69-70
• 4.3.4 样品的充放电性能70-71
• 4.3.5 样品的循环伏安特性71-73
• 4.3.6 样品的循环性能73-74
• 4.4 本章小结74-75
• 结论75-76
• 参考文献76-82
• 致谢82

【参考文献】

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1 陈人杰;赵腾;李丽;陈君政;吴锋;;高比能锂硫电池正极材料[J];中国科学:化学;2014年08期

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本文编号：766001