含氮碳基锂硫电池正极材料的制备及电化学性能的研究

发布时间：2017-08-27 04:06

  本文关键词：含氮碳基锂硫电池正极材料的制备及电化学性能的研究

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【摘要】：锂硫(Li/S)电池由于具有高的理论比容量和能量密度等优点被人们广泛关注,被认为是最具发展前景的储能体系之一。Li/S电池在具有这些优点的同时,仍然面临着一些阻碍,制约其高比容量和高能量密度的实现,如硫与放电产物(Li2S/Li2S2)是电子和离子的绝缘体,多硫离子的“穿梭效应”以及充放电过程中活性物质体积变化等,这些问题阻碍了Li/S电池的商业化之路。为了获得高容量、长寿命的Li/S电池,我们采用模板法制备不同形貌和结构导电氮化碳(CN)作为硫的载体,以期有效的解决上述问题。通过氮气吸脱附测试、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、场发射透射电子显微镜(SEM)等测试工具对材料的微观结构及形貌进行了表征,并通过完善的电化学测试系统对复合材料组装的电池进行了一系列的电化学性能测试。采用SBA-15为模板,通过纳米注入法制备了有序介孔氮化碳(MCN),通过热熔融法将单质硫灌注到MCN孔道中,得到MCN/S复合材料。研究结果表明：MCN具有相互交联的棒状结构这种结构,这种特殊的结构有利于电子和离子的运输及抑制活性物质脱离正极,其具有的高比表面积(770.5 m2 g-1)和孔容(1.19 cm3 g-’),可以负载高含量的硫。MCN/S复合材料展现了良好的电化学性能。在0.1 C倍率下MCN/S首次放电比容量可达1285 mAh g-1。0.5 C倍率下首次放电比容量达到1107 mAh g-1,100圈循环后放电可逆容量仍维持为828.4 mAh g-1。采用纳米二氧化硅球为模板合成了三维连续介孔氮化碳(3D-MCN),并将其应用于Li/S电池正极材料。移去模板后,3D-MCN样品得到了更高的比表面积836.6m2 g-’和孔容1.60 cm3g-1,可以容纳更高含量的硫。结果表明,3D-MCN具有三维连续结构,而且连续结构中存在移除模板后形成的纳米囊。3D-MCN/S复合材料展现了良好的电化学性能在0.1 C倍率下,首次放电比容量高达1382 mAhg-1,0.5 C倍率下100次循环后容量仍维持在为849.6 mAh g-1,容量保持率高达73.7%。在1C倍率下,首次放电容量为966.1 mAh g-1,200次循环后放电容量679.7 mAh g-1。优秀的电化学性能与于3D-MCN具有特殊的三维连续结构和氮化碳-硫的相互作用的协同作用有关。三维连续结构有利于电子和离子传输,封闭的纳米囊结构限制活性物质转移和多硫离子的“穿梭效应”,氮化碳-硫的相互作用有利于抑制活性物质的流失。
【关键词】：锂硫电池 正极材料 氮化碳 硬模板法 电化学性能
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O646;TM912
【目录】：

• 致谢7-8
• 摘要8-9
• ABSTRACT9-17
• 第一章 绪论17-34
• 1.1 前言17
• 1.2 Li/S电池概述17-21
• 1.2.1 硫的结构形态及性质17
• 1.2.2 Li/S电池工作原理及充放电过程17-19
• 1.2.3 Li/S电池性能的影响因素19-21
• 1.3 Li/S电池正极复合材料研究进展21-31
• 1.3.1 碳导电结构21-26
• 1.3.2 导电聚合物26-30
• 1.3.3 纳米金属氧化物添加剂30-31
• 1.4 碳/硫复合材料的合成方法31-32
• 1.5 本课题的主要内容及研究意义32-34
• 1.5.1 本课题的的主要内容32
• 1.5.2 本课题的研究意义32-34
• 第二章 实验方法及原理34-40
• 2.1 实验所用主要仪器设备34-35
• 2.2 材料的表征35-37
• 2.2.1 X射线衍射仪35-36
• 2.2.2 场发射扫描电子显微镜36
• 2.2.3 场发射透射电子显微镜36
• 2.2.4 X射线光电子能谱仪36
• 2.2.5 氮气吸脱附测试36-37
• 2.2.6 元素分析仪37
• 2.2.7 傅里叶红外测试37
• 2.3 电极材料的制备37-38
• 2.4 电池的组装38
• 2.5 电池的电化学性能测试38-40
• 2.5.1 循环伏安测试38
• 2.5.2 充放电测试38-39
• 2.5.3 循环性能测试39
• 2.5.4 倍率测试39
• 2.5.5 交流阻抗测试39-40
• 第三章 有序介孔氮化碳/硫复合材料的制备及其电化学性能研究40-51
• 3.1 引言40
• 3.2 实验步骤40-41
• 3.2.1 有序介孔氮化碳材料的合成40-41
• 3.2.2 MCN/S复合材料的合成41
• 3.3 MCN/S复合材料的表征及其电化学性能测试41-49
• 3.3.1 MCN和MCN/S复合材料的制备过程分析41
• 3.3.2 MCN和MCN/S的比表面积测试41-42
• 3.3.3 XRD分析42-43
• 3.3.4 正极材料的微观形貌分析43-44
• 3.3.5 X射线光电子能谱(XPS)表征44-45
• 3.3.6 循环伏安测试45-46
• 3.3.7 充放电及其循环性能测试46-48
• 3.3.8 倍率性能和阻抗分析48-49
• 3.4 本章小结49-51
• 第四章 三维连续介孔氮化碳/硫复合材料的制备及其电化学性能研究51-66
• 4.1 引言51
• 4.2 实验步骤51-52
• 4.2.1 三维连续介孔氮化碳材料的制备(3D-MCN)51-52
• 4.2.2 正极材料3D-MCN/S复合物的合成52
• 4.3 3D-MCN和3D-MCN/S复合材料的表征及其电化学性能52-64
• 4.3.1 3D-MCN和3D-MCN/S复合材料的XRD分析52-53
• 4.3.2 3D-MCN和3D-MCN/S复合材料形貌表征53-54
• 4.3.4 3D-MCN的元素分布及含量分析54
• 4.3.5 X射线光电子能谱(XPS)和红外表征(FTIR)表征54-57
• 4.3.6 3D-MCN和3D-MCN/S微观结构表征57-58
• 4.3.7 循环伏安曲线特性58-59
• 4.3.8 初始充放电容量和充放电曲线特性59-60
• 4.3.9 循环和倍率性能60-62
• 4.3.10 倍率性能62-63
• 4.3.11 交流阻抗测试63-64
• 4.4 本章小结64-66
• 第五章 结论与展望66-68
• 5.1 结论66
• 5.2 展望66-68
• 参考文献68-75
• 附录一 攻读硕士学位期间获得的成果75

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