锂硫电池正极材料的制备及电化学性能研究

发布时间：2017-11-02 02:28

  本文关键词：锂硫电池正极材料的制备及电化学性能研究

  更多相关文章： 锂硫电池 碳/硫复合物 石墨烯 聚吡咯

【摘要】：锂硫电池凭借突出的理论比容量(1675 mAh/g)和比能量(2600 Wh/kg)受到了广泛的关注,可能成为未来极具市场价值的二次电池之一。然而,锂硫电池目前因为单质硫导电性差、中间产物的穿梭问题、循环过程中硫单质体积变化等问题严重影响了活性物质的利用率和循环稳定性。针对以上问题,本文主要研究了石墨烯和单质硫的复合方式,以及不同结构的碳硫三元复合材料。借助改善的Hummers方法制备出还原氧化石墨烯,以其做载体,使用三种不同的方法合成了石墨烯/硫复合材料。通过结构、电化学性能表征,发现化学合成法+二次热处理得到的石墨烯/硫复合材料的电化学性能最为优异。在硫含量为73%,200mA/g电流密度下,石墨烯@硫-160正极材料首次放电比容量为953.9 mAh/g,充放电80圈后维持在591.7 mAh/g,容量保持率达到64.76%。采用廉价的乙炔黑做为导电碳骨架,化学原位沉积单质硫在乙炔黑表面,再通过自组装的方法使商业级石墨烯做为乙炔黑/硫复合材料的包覆层,制备出一种新颖的三明治结构的乙炔黑/硫@石墨烯复合材料。通过与乙炔黑/硫复合材料比较,发现这种三明治结构的碳硫复合物具有高的活性物质利用率,改善的循环性能和优异的倍率性能。当电流密度为200 mA/g时,此三明治结构的正极首次释放比容量达到1603.5 mAh/g,硫的实际利用率高达95.73%。倍率性能更为出色,当电流密度增加至1600 mA/g时,容量稳定在617.2 mAh/g。采用化学法原位沉积单质硫在乙炔黑表面,再用聚吡咯包覆,制备了一种核壳结构的乙炔黑/硫@聚吡咯复合材料。对比乙炔黑/硫复合材料得出,核壳结构的三元复合材料获得了改善的电化学性能。在硫含量为60%,800 mA/g电流密度下,此三元复合材料经活化后最大放电比容量为688.9 mAh/g,循环200圈后,容量保持在538.5 mAh/g,容量保持率高达78.2%。
【关键词】：锂硫电池 碳/硫复合物 石墨烯 聚吡咯
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O646;TM912
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-22
• 1.1 引言11
• 1.2 锂硫电池概述11-14
• 1.2.1 锂硫电池简介11-12
• 1.2.2 锂硫电池反应机理12-13
• 1.2.3 锂硫电池面临的问题13-14
• 1.3 锂硫电池正极材料研究进展14-20
• 1.3.1 碳材料/硫复合正极材料14-19
• 1.3.2 聚合物/硫复合正极材料19
• 1.3.3 金属氧化物/硫复合正极材料19-20
• 1.4 本论文的研究目的和主要内容20-22
• 第2章 实验部分22-27
• 2.1 实验试剂和仪器设备22-24
• 2.2 材料的结构表征24-25
• 2.2.1 扫描电子显微镜(SEM)24
• 2.2.2 透射电子显微镜(TEM)24
• 2.2.3 热重-差热(TGA-DTA)24
• 2.2.4 X射线衍射(XRD)24
• 2.2.5 激光拉曼光谱(Raman)24-25
• 2.3 电极的制备和电池的组装25
• 2.3.1 电极的制备25
• 2.3.2 电池的组装25
• 2.4 电化学性能测试25-27
• 2.4.1 恒流充放电测试25
• 2.4.2 循环伏安测试(CV)25-26
• 2.4.3 交流阻抗测试(EIS)26-27
• 第3章 石墨烯/硫复合材料的制备方式及性能研究27-38
• 3.1 引言27
• 3.2 实验部分27-28
• 3.2.1 石墨烯的制备27-28
• 3.2.2 石墨烯/硫复合材料的制备28
• 3.3 实验结果与讨论28-36
• 3.3.1 碳材料形貌和结构表征28-30
• 3.3.2 石墨烯/硫复合材料形貌和结构表征30-33
• 3.3.3 石墨烯/硫复合材料电化学性能研究33-36
• 3.4 本章小结36-38
• 第4章 三明治结构的碳/硫复合材料制备及性能研究38-50
• 4.1 引言38
• 4.2 实验部分38-39
• 4.2.1 乙炔黑/硫纳米复合材料的制备38-39
• 4.2.2 乙炔黑/硫@石墨烯复合材料的制备39
• 4.3 实验结果与讨论39-48
• 4.3.1 碳材料形貌和结构表征39-40
• 4.3.2 碳/硫复合材料的形貌和结构表征40-42
• 4.3.3 碳/硫复合材料电化学性能研究42-48
• 4.4 本章小结48-50
• 第5章 核壳结构的碳/硫复合材料制备及性能研究50-59
• 5.1 引言50
• 5.2 实验部分50-51
• 5.2.1 乙炔黑/硫纳米复合材料的制备50-51
• 5.2.2 乙炔黑/硫@聚吡咯复合材料的制备51
• 5.3 实验结果与讨论51-58
• 5.3.1 碳材料形貌和结构表征51
• 5.3.2 碳/硫复合材料的形貌和结构表征51-55
• 5.3.3 碳/硫复合材料电化学性能研究55-58
• 5.4 本章小结58-59
• 结论59-60
• 参考文献60-66
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果66-67
• 致谢67

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 戴萃辰;脂肪族化合物的物理化学性能的结构基础[J];自然杂志;1979年07期

2 何林生;;钛白废酸提钪及钪的应用[J];杭州化工;1991年02期

3 张勇;霍庆媛;王力臻;张爱勤;宋延华;;LiFePO_4/MWNTs/BC复合材料的制备及电化学性能[J];热加工工艺;2012年24期

4 杜霞;薛卫东;刘帆;李昱树;;n型硅/碳复合材料的制备及电化学性能研究[J];电子元件与材料;2013年01期

5 ;钛及钛钼合金电化学性能的研究[J];上海有色金属;1978年03期

6 龚茜，谭攸庚;钌钛锡氧化物阳极表面形态及电化学性能研究[J];氯碱工业;1995年05期

7 邓凌峰;陈洪;;2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑的合成及电化学性能[J];材料导报;2009年22期

8 Degussa;徐翔飞;;“白炭黑”的制备工艺及其物理—化学性能[J];橡胶译丛;1981年03期

9 刘春莲;;《材料化学性能》课的教学实践[J];太原理工大学学报(社会科学版);2002年S1期

10 章宗穰;许传经;潘幼良;;旋转环—盘电极的研制和电化学性能研究[J];上海师范学院学报(自然科学版);1984年03期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 郄富昌;彭庆文;唐致远;;锂离子电池负极材料Li_2ZnTi_3O_8/C纳米颗粒的制备及其电化学性能[A];第30届全国化学与物理电源学术年会论文集[C];2013年

2 李良超;郝仕油;林秋月;应桃开;;纳米氧化锰的制备及其电化学性能研究[A];第五届中国功能材料及其应用学术会议论文集Ⅲ[C];2004年

3 刘志超;党海军;陈广宇;张自禄;;氟化石墨的制备与电化学性能[A];第十三次全国电化学会议论文摘要集（上集）[C];2005年

4 张森;李志勇;;氟化处理对储氢合金电化学性能的影响研究[A];第十三次全国电化学会议论文摘要集（下集）[C];2005年

5 季益刚;周益明;邵阳;戴跃华;俞燕青;王青;唐亚文;陆天虹;沈涛;;氢氧化镍的低热固相合成及其电化学性能[A];第十三次全国电化学会议论文摘要集（上集）[C];2005年

6 董怡辰;王振波;秦华;;炭包覆对动力锂离子电池正极材料电化学性能影响[A];第22届炭—石墨材料学术会论文集[C];2010年

7 侯磊;吴茂;何新波;曲选辉;;碳含量对磷酸钒锂电化学性能的影响[A];第30届全国化学与物理电源学术年会论文集[C];2013年

8 邹红丽;招睿雄;沈培康;;钨掺杂LiFePO_4的合成和电化学性能研究[A];第二十八届全国化学与物理电源学术年会论文集[C];2009年

9 樊小勇;江宏宏;黄令;孙世刚;;电镀锡作为锂离子电池负极材料的电化学性能研究[A];第十三次全国电化学会议论文摘要集（上集）[C];2005年

10 王婷;曹中秋;边静;;镁铝储氢电极合金的制备及电化学性能研究[A];第十三次全国电化学会议论文摘要集（下集）[C];2005年

中国重要报纸全文数据库 前1条

1 ;锌的性质与用途[N];期货日报;2007年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 卢桂霞;过渡金属氧化物锂离子电池负极材料的制备及其电化学性能研究[D];山东大学;2015年

2 胡梅娟;金属氧化物基锂/钠离子电池负极材料制备与电化学性能研究[D];浙江大学;2014年

3 刘芳延;基于综纤维素制备炭基复合材料及其电化学性能研究[D];东北林业大学;2015年

4 江小剑;基于脱合金法的锰基微纳结构的构筑及其电化学性能研究[D];山东大学;2015年

5 王聪;锂离子电池电极材料Li_3V_2(PO_4)_3的制备及其电化学性能改性研究[D];北京化工大学;2015年

6 莫润伟;高性能锂离子电池正极材料LiV_3O_8的制备及其电化学性能研究[D];哈尔滨工业大学;2014年

7 历彪;钛的含氟氧化物及其锂化产物纳米粒子的合成、表征与电化学性能研究[D];中国科学技术大学;2015年

8 刘清朝;锂空气电池电极材料的制备和电化学性能研究[D];吉林大学;2015年

9 石丽丽;新型锂硫电池正极材料的制备及其电化学性能研究[D];北京理工大学;2016年

10 刘兵;锡/钼基锂离子电池负极材料的微结构调控及储锂性能研究[D];北京理工大学;2015年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 栗志同;钒基材料的合成、表征及其电化学性能研究[D];华南理工大学;2015年

2 王莎;多巴胺炭球及MOFs@硫复合材料的制备及其Li-S电池电化学性能研究[D];华南理工大学;2015年

3 燕平;氢驱动化学反应法制备Li_xal_ySi_z锂离子电池负极材料及其电化学性能[D];浙江大学;2015年

4 杜志玲;掺氮多孔碳的制备及其电化学性能研究[D];燕山大学;2015年

5 宋巧兰;新型离子液体的制备及其电化学性能研究[D];陕西科技大学;2015年

6 黄文静;新型导电聚合物-石墨烯电极材料的制备及电化学性能研究[D];南京理工大学;2015年

7 康怡然;纳米二氧化锰/碳材料复合电极材料的制备及其电化学性能的研究[D];郑州大学;2015年

8 张亦弛;低维氧化钼纳米材料微观结构及其电化学性能研究[D];南京理工大学;2015年

9 李涛;Fe-Mn-Ti-C锂离子电池负极材料的制备及其电化学性能研究[D];山东大学;2015年

10 申亚举;水系锂离子电池负极材料LiTi_2(P0_4)_3的制备及性能研究[D];沈阳理工大学;2015年

，

本文编号：1129617