三维石墨烯基锂硫电池电极材料制备及电化学性能研究

发布时间：2017-09-15 20:02

  本文关键词：三维石墨烯基锂硫电池电极材料制备及电化学性能研究

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【摘要】：锂硫电池作为一种新型二次电池，相较于普通的锂离子电池，具有理论比容量高、能量密度高、硫资源丰富、环境友好、低价等优点。在可穿戴电子设备、新能源交通工具等方面极具发展潜力和应用前景。然而，由于硫是良好的电绝缘体，且电池充放电循环过程的中间产物多硫化锂极易溶解于电解液而造成活性物质的流失，以及循环时正极硫被还原为硫化锂再被氧化为硫的过程中产生的体积膨胀/收缩造成的正极结构坍塌，限制了锂硫电池的实际应用与产业化发展。基于以上理解，为解决锂硫电池现阶段面临的问题，本文主要开展了以下工作： （1）高密度纳米硫-三维石墨烯复合材料。该复合材料中的石墨烯薄片具有良好的电子导电性，可以为正极硫和锂离子的反应提供电子；纳米级的硫颗粒具有较大的比表面积有助于其与锂离子接触发生氧化还原反应；此外，致密收缩的三维石墨烯结构存在较丰富的闭合的微孔，在不影响离子导电性的同时，可以更好地容纳硫并抑制多硫化锂向电解液中的溶出和穿梭效应，因此可得到较高的放电比容量和良好的循环稳定性，以0.05C倍率实现初始放电比容量达1360mAh/g，为理论比容量的85%；在0.5C倍率下循环300次之后比容量仍保持在770mAh/g。 （2）纳米硫-多孔活性炭/三维石墨烯复合材料。多孔活性炭/三维石墨烯作为活性硫的载体材料，可以提供介孔包覆微孔的致密的双层“蓄水池”状孔结构，在保证硫的合理负载量的前提下，有望在两个界面上对溶解于电解液的多硫化锂进行阻隔，，抑制活性物质的流失。通过与具有单层孔结构的硫-活性炭复合材料及硫-三维石墨烯复合材料的实验对比证明，双层孔结构可有效地增强对多硫化锂的阻隔作用，得到良好的放电比容量和长的循环寿命。在0.2C倍率下循环300次后放电比容量依然保持834.7mAh/g，在0.5C倍率下循环500次后放电比容量保持722.8mAh/g，在1C倍率下循环900次后放电比容量保持410.6mAh/g。
【关键词】：三维石墨烯 纳米硫复合材料 孔结构 锂硫电池 正极材料
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM912
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-22
• 1.1 引言10
• 1.2 锂硫电池概述10-13
• 1.2.1 锂硫电池工作原理11-12
• 1.2.2 锂硫电池发展面临的问题12-13
• 1.3 锂硫电池正极材料概述13-17
• 1.3.1 硫-碳复合正极材料研究现状13-15
• 1.3.2 硫-导电聚合物复合正极材料研究现状15-17
• 1.3.3 硫-金属氧化物复合正极材料研究现状17
• 1.4 三维石墨烯概述17-19
• 1.4.1 石墨烯简介17-18
• 1.4.2 三维石墨烯制备方法18-19
• 1.4.3 三维石墨烯在锂硫电池中的研究现状19
• 1.5 本文研究目的与主要研究内容19-22
• 第二章 实验部分22-34
• 2.1 实验材料和制备方法22-29
• 2.1.1 样品制备仪器22-23
• 2.1.2 实验材料23
• 2.1.3 氧化石墨烯的制备23-24
• 2.1.4 三维石墨烯的制备24-25
• 2.1.5 纳米硫-三维石墨烯复合材料的制备25-27
• 2.1.6 纳米硫-多孔活性炭/三维石墨烯复合材料的制备27-29
• 2.2 分析和测试方法29-30
• 2.2.1 扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy，SEM）29
• 2.2.2 透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy，TEM）29
• 2.2.3 孔径分布分析29-30
• 2.2.4 X 射线衍射30
• 2.2.5 拉曼光谱分析30
• 2.2.6 热重分析（TGA）30
• 2.3 电化学性能测试30-34
• 2.3.1 工作电极的制备30-31
• 2.3.2 交流阻抗（Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS）测试31
• 2.3.3 循环伏安（Cyclic voltammetry, CV）测试31-32
• 2.3.4 恒流充放电测试32-34
• 第三章 高密度纳米硫-三维石墨烯复合材料的表征与电化学性能研究34-48
• 3.1 高密度纳米硫-三维石墨烯复合材料的表征34-42
• 3.1.1 扫描电子显微镜34-37
• 3.1.2 透射电子显微镜37-38
• 3.1.3 样品密度及孔隙率表征38-39
• 3.1.4 BET 孔径分布表征及理论计算39-40
• 3.1.5 X 射线衍射40-41
• 3.1.6 TGA 热重分析41-42
• 3.2 高密度纳米硫-三维石墨烯复合材料的电化学性能研究42-46
• 3.2.1 电化学交流阻抗测试42-43
• 3.2.2 循环伏安测试43-44
• 3.2.3 恒流充放电测试44-46
• 3.3 小结46-48
• 第四章 纳米硫-多孔活性炭/三维石墨烯复合材料的表征与电化学性能研究48-62
• 4.1 纳米硫-多孔活性炭/三维石墨烯复合材料的表征48-54
• 4.1.1 扫描电子显微镜49-51
• 4.1.2 透射电子显微镜51
• 4.1.3 BET 孔径分布表征51-52
• 4.1.4 X 射线衍射52-53
• 4.1.5 拉曼光谱分析53-54
• 4.1.6 TGA 热重分析54
• 4.2 纳米硫-多孔活性炭/三维石墨烯复合材料的电化学性能研究54-59
• 4.2.1 电化学交流阻抗测试55-56
• 4.2.2 循环伏安测试56-57
• 4.2.3 恒流充放电测试57-59
• 4.3 小结59-62
• 第五章 结论与展望62-64
• 5.1 结论62-63
• 5.2 展望63-64
• 参考文献64-70
• 攻读硕士期间发表的论文及研究成果70-72
• 致谢72

【共引文献】

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本文编号：858587