石墨烯基锂硫电池正极材料的制备及其电化学性能研究

发布时间：2017-05-16 20:11

  本文关键词：石墨烯基锂硫电池正极材料的制备及其电化学性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：锂硫电池由于制作成本低而比容量高成为目前非常有潜力的下一代二次电池之一,石墨烯由于优异的导电性能及其较大的比表面积而成为锂硫电池正极复合材料的理想载体。目前锂硫电池的研究面临许多挑战,因此石墨烯基复合材料作为锂硫电池正极材料的研究就具有重大的意义。本文主要研究了硫与不同碳材料复合形成的锂硫电池正极材料,制备了几种新型的电极材料,如硫/氧化石墨烯(S/GO).硫/水热还原氧化石墨烯(S/rGO),硫/碳纳米管(S/CNTs)和膨胀石墨包覆硫/碳纳米管(EG/S/CNTs)复合材料,并用SEM, XRD等对复合材料的结构进行表征,探讨复合材料的结构对锂硫电池电化学性能的影响。通过在溶液中的氧化还原法原位制备出S/GO复合材料,并讨论了制备条件对复合材料结构及电化学性能的影响,从而优化了实验过程。该方法制备的复合材料中,硫颗粒在GO表面均匀成核生长,在100mA·g-1的电流密度下,首次放电容量为660mhA·g-1,100次循环后,容量衰减到250mhA·g-1。通过水热还原法制备了S/rGO复合材料,发现GO还原程度较低且硫颗粒大量团聚,电极材料的电化学性能并没有明显提高。通过在溶液中氧化还原原位法制备S/CNTs复合材料,使硫颗粒在碳纳米管表面均匀沉积,再利用碳纳米管的吸附作用,将复合材料进行真空热处理,使硫蒸汽在吸附作用下进入碳纳米管内部。碳纳米管具有良好的导电性,因此复合材料导电性能有一定提高,但由于复合材料没有很好的限硫作用,电极材料在循环过程中飞梭效应十分明显。我们将S/CNTs与一定量膨胀石墨(EG)溶入CS2,并进行长时间搅拌蒸发,使碳纳米管均匀的密集在EG表面同时插层其中,形成良好的三维导电网络结构,这种结构减少了膨胀石墨间的堆叠,使复合材料形成结构完整的多孔导电网络,对于提高活性物质的利用率以及限制锂的多硫化物在电解液中的溶解起到很好的作用。通过研究不同含硫量以及不同碳材料比例对复合材料的影响,确立较佳的复合配比,实验表明含硫量为70%,EG:CNTs=4:1时的复合材料具有相对较好的电化学性能：100mAh·g-1电流密度下,首次放电达760mAh·g-1,100次循环后,容量在5OOmAh·g-1,且仍有继续上升的趋势。
【关键词】：锂硫电池 氧化石墨烯 碳纳米管 膨胀石墨 复合材料
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O646.54;TM912
【目录】：

• 摘要4-6
• abstract6-15
• 第一章 绪论15-29
• 1.1 引言15-16
• 1.2 锂硫电池体系16-17
• 1.2.1 锂硫电池机理16-17
• 1.2.2 锂硫电池的发展17
• 1.3 锂硫电池目前面临的问题17-19
• 1.3.1 活性物质为绝缘材料18
• 1.3.2 多硫化物的溶解18
• 1.3.3 自放电18
• 1.3.4 飞梭效应18-19
• 1.3.5 体积膨胀19
• 1.4 锂硫电池中对于正极材料的研究19-25
• 1.4.1 硫/碳复合材料19-23
• 1.4.1.1 介孔碳复合材料19-20
• 1.4.1.2 通过不同方法合成的不同结构的复合材料20-21
• 1.4.1.3 无粘合剂的电极复合材料21-22
• 1.4.1.4 硫/石墨烯复合材料22-23
• 1.4.2 聚合物/硫复合材料的研究23-24
• 1.4.3 硫/金属复合材料24-25
• 1.4.3.1 金属氧化物添加剂/复合材料24
• 1.4.3.2 金属氧化物涂层24-25
• 1.4.3.3 层间化合物/硫系复合材料25
• 1.5 电解液的选择25-26
• 1.6 本文研究目的和内容26-29
• 第二章 实验方法29-35
• 2.1 主要实验试剂29
• 2.2 实验主要设备29-30
• 2.3 材料的表征方法30-31
• 2.3.1 X-射线粉末衍射技术(XRD)30
• 2.3.2 扫描电镜分析(SEM)30
• 2.3.3 热重分析(TG)30-31
• 2.3.4 透射电镜分析(TEM)31
• 2.4 材料的电化学性能测试31-35
• 2.4.1 电极片的制备31
• 2.4.2 扣式电池的组装31-32
• 2.4.3 电池的恒流充放电性能测试32-33
• 2.4.4 循环伏安测试33-35
• 第三章 硫/氧化石墨烯复合材料的制备及性能表征35-49
• 3.1 引言35
• 3.2 S/GO复合材料的制备35-41
• 3.2.1 GO的制备35-36
• 3.2.2 S/GO复合材料的制备36-37
• 3.2.3 S/GO复合材料的表征37-41
• 3.2.3.1 复合材料的结晶形态37-38
• 3.2.3.2 复合材料的形貌38-39
• 3.2.3.3 复合材料的组分含量39-41
• 3.3 复合材料的电化学性能41-43
• 3.3.1 复合材料的恒流充放电性能测试41-43
• 3.4 S/rGO复合材料的制备43-45
• 3.4.1 S/rGO复合材料的表征44
• 3.4.2 S/rGO复合材料的电化学性能44-45
• 3.5 机理分析45-46
• 3.6 本章小结46-49
• 第四章 膨胀石墨包覆硫/碳纳米管复合材料的制备及性能表征49-67
• 4.1 引言49
• 4.2 EG/S/CNTs复合材料的制备49-51
• 4.2.1 碳纳米管的预处理49-50
• 4.2.2 S/CNTs复合材料的制备50
• 4.2.3 膨胀石墨的制备50-51
• 4.2.4 EG/S/CNTs复合材料的制备51
• 4.3 EG/S/CNTs复合材料的表征51-54
• 4.3.1 复合材料的结晶形态51-52
• 4.3.2 复合材料的形貌52-53
• 4.3.3 复合材料的组分含量53-54
• 4.4 复合材料的电化学性能54-57
• 4.4.1 复合材料的恒流充放电性能测试54-57
• 4.5 EG/CNTs比例对复合材料结构的影响57-60
• 4.5.1 复合材料的结晶形态57-58
• 4.5.2 复合材料的形貌58-59
• 4.5.3 复合材料的组分含量59-60
• 4.6 EG/CNTs比例对复合材料电化学性能的影响60-64
• 4.6.1 复合材料的恒流充放电性能测试60-63
• 4.6.2 复合材料的循环伏安性能测试63-64
• 4.7 本章小结64-67
• 第五章 结论67-69
• 参考文献69-73
• 致谢73-75
• 研究成果及发表的学术论文75-77
• 作者和导师简介77-78
• 附件78-79

【共引文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 肖索;张子良;刘松杭;;原位XRD在锂电池电极材料测试中的应用[J];宁波化工;2014年01期

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 张凯;锂硫电池正极改性、结构设计及电化学性能研究[D];中南大学;2014年

2 朱奇珍;锂二次电池用功能性电解质研究[D];北京理工大学;2015年

中国硕士学位论文全文数据库 前6条

1 陈峰;锂硫电池球形结构硫正极材料制备及改性研究[D];浙江工业大学;2013年

2 陈漾;锂硫电池硫基正极的制备与电化学性能研究[D];中南大学;2013年

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4 董字敏;锂硫电池正极材料的制备及其电化学性能[D];浙江师范大学;2014年

5 李庆洲;一步水热法制备石墨烯/硫正极材料与电化学性能研究[D];中南大学;2014年

6 李玉惠;碳/硫复合物的制备及其电化学性能研究[D];中南大学;2014年

  本文关键词：石墨烯基锂硫电池正极材料的制备及其电化学性能研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：371801