导电聚合物包覆S-C正极材料的制备及电化学性能研究

发布时间：2017-04-16 20:00

  本文关键词：导电聚合物包覆S-C正极材料的制备及电化学性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：能源需求的激增为电池的应用提供了广阔前景，锂硫电池因其理论比容量高(1675mAhg-1)而成为未来最具应用前景的锂电池体系之一。但作为正极材料的硫因其本身固有的电导率低、电极反应中间产物多硫化锂易溶于电解液和充放电过程中的体积变化等问题，致使电化学性能较差。近年来的研究报道表明，具有包覆结构的锂硫电池正极材料不仅能提高材料的导电率、限制中间产物的溶解，还能减轻体积变化的影响。本课题基于此设想，制备出了具有双层包覆结构的硫-碳-聚吡咯(S-C-PPY)和硫-碳-聚苯胺(S-C-PANI)正极材料，，对其进行结构、形貌和电化学性能测试与表征，并探索了电化学性能改善的原因。 本课题采用两步法进行双层包覆结构正极材料的制备，首先是在单质硫表面包覆一层乙炔黑，形成S-C包覆结构；其次在S-C表面再包覆一层PPY或PANI，即得S-C-PPY或S-C-PANI正极材料。通过调节表面活性剂种类、聚合过程中盐酸浓度、氧化剂用量、聚合物和硫含量制备出一系列正极材料，探索了实验条件与电化学性能的关系，确定了电化学性能最佳的S-C-PPY和S-C-PANI正极材料制备工艺。 结构与形貌表征发现：本实验中，S-C正极材料制备过程中选择乙醇为表面活性剂，聚合物包覆过程中以CTAB为表面活性剂时制备出了双层包覆结构的正极材料，硫在内部，乙炔黑在中间，外层为聚合物，呈球状分布，尺寸约为几微米。 电化学性能测定结果表明：(1)最佳电化学性能的S-C-PPY正极材料是在氧化剂与吡咯摩尔比为3:1，聚合过程盐酸浓度为0.5mol/L的条件下所制备的，其硫与聚吡咯含量分别为40%、4%。1C放电倍率下，放电比容量最高达768mAhg-1，500次循环后保持在326mAhg-1，循环退降率为0.115%，且库伦效应保持在90%。(2)最佳电化学性能的S-C-PANI正极材料是在氧化剂与苯胺摩尔比为3:1，聚合过程中盐酸浓度为1mol/L条件下制备的，硫和聚苯胺含量分别为45%和19%。1C放电倍率下初始放电比容量为809mAhg-1，1000次循环后保持在271mAhg-1，退降率为0.066%，库伦效应保持在90%以上。 对比相同条件下制备的S-C正极材料电化学性能，发现包覆后电化学性能有了明显改善。究其原因，主要是乙炔黑和导电聚合物的双层包覆结构提高了正极材料的电导率、限制了电池反应中间产物多硫化锂的溶解和增强了适应体积效应的能力。
【关键词】：锂硫电池正极材料 包覆结构 S-C-PPY S-C-PANI 电化学性能
【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】：2014
【分类号】：TM912;O646.54
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-28
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义11-14
• 1.2 锂硫电池的工作原理及组成14-18
• 1.2.1 锂硫电池的工作原理14-15
• 1.2.2 影响锂硫电池性能的因素15
• 1.2.3 锂硫电池的组成15-18
• 1.3 导电聚合物18-21
• 1.3.1 导电聚合物简介18-19
• 1.3.2 导电聚吡咯19-20
• 1.3.3 导电聚苯胺20-21
• 1.4 包覆结构锂硫电池正极材料的研究进展21-26
• 1.4.1 二元包覆结构正极材料21-24
• 1.4.2 三元包覆结构正极材料24-26
• 1.5 本文主要研究内容26-28
• 第2章 实验药品和表征方法28-32
• 2.1 实验药品及仪器设备28-30
• 2.1.1 实验药品28-29
• 2.1.2 实验仪器29-30
• 2.2 材料的形貌与结构表征30-31
• 2.2.1 X 射线衍射分析(XRD)30
• 2.2.2 红外光谱分析(FITR)30
• 2.2.3 热重分析(TG)30
• 2.2.4 扫描电镜(SEM)30
• 2.2.5 能谱仪(EDS)30-31
• 2.3 正极材料的电化学性能测试31-32
• 2.3.1 组装电池31
• 2.3.2 充放电及循环性能测试31
• 2.3.3 循环伏安测试(CV)31
• 2.3.4 交流阻抗测试(EIS)31-32
• 第3章 S-C-PPY 正极材料的制备及电化学性能研究32-51
• 3.1 引言32
• 3.2 S-C-PPY 正极材料的制备流程32-33
• 3.3 S-C 正极材料制备工艺优化33-37
• 3.3.1 表面活性剂对 S-C 正极材料的影响33-34
• 3.3.2 S-C 正极材料的结构表征34-36
• 3.3.3 反应物浓度对 S-C 正极材料的影响36-37
• 3.4 S-C-PPY 正极材料的结构和形貌表征37-39
• 3.4.1 S-C-PPY 正极材料的 XRD 表征37
• 3.4.2 S-C-PPY 正极材料的 FTIR 表征37-38
• 3.4.3 S-C-PPY 正极材料的形貌表征38-39
• 3.5 S-C-PPY 正极材料的电化学性能研究39-48
• 3.5.1 硫含量对 S-C-PPY 正极材料电化学性能的影响39-43
• 3.5.2 盐酸浓度对 S-C-PPY 正极材料电化学性能的影响43-44
• 3.5.3 氧化剂量对 S-C-PPY 正极材料电化学性能的影响44-48
• 3.6 PPY 包覆对 S-C 正极材料电化学性能的影响48-50
• 3.7 本章小结50-51
• 第4章 S-C-PANI 正极材料的制备及电化学性能研究51-70
• 4.1 引言51
• 4.2 S-C-PANI 正极材料的制备工艺51-52
• 4.3 S-C-PANI 正极材料的结构和形貌表征52-55
• 4.3.1 S-C-PANI 正极材料的结构表征52-53
• 4.3.2 S-C-PANI 正极材料的 FITR 表征53-54
• 4.3.3 S-C-PANI 正极材料的形貌表征54-55
• 4.4 S-C-PANI 的电化学性能研究55-67
• 4.4.1 盐酸浓度对 S-C-PANI 正极材料电化学性能的影响55-59
• 4.4.2 含硫量对 S-C-PANI 正极材料电化学性能的影响59-61
• 4.4.3 聚苯胺(PANI)含量对 S-C-PANI 正极材料电化学性能的影响61-67
• 4.5 PANI 包覆对 S-C 正极材料电化学性能的影响67-69
• 4.6 本章小结69-70
• 结论70-71
• 参考文献71-77
• 攻读硕士学位期间发表的论文77-79
• 致谢79

【参考文献】

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本文编号：311542