锂硫电池用碳材料功能化设计及电化学性能研究
[Abstract]:Lithium-sulfur batteries have the advantages of high theoretical energy density, environmental friendliness and low cost, but there are still some problems such as low utilization of active substances, poor cycle stability and safety, etc. In this paper, based on carbon materials, the structure of carbon conductive network and its limiting effect are discussed, and the structure of lithium-sulfur battery is designed, which is based on the pore structure control, heterogeneity atom doping and surface chemical modification, as well as the overall structure design of lithium-sulfur battery. A new type of lithium sulfur battery with high energy density and long cycle life was prepared. In this paper, graphene-carbon nanotube-sulfur composites with three-dimensional interconnected structure were prepared by one step reduction-induced self-assembly under mild conditions using L- ascorbic acid as reducing agent. During liquid phase self-assembly, the formation of graphene-carbon nanotube conductive network is accompanied by uniform loading of nano-sulfur particles. This interconnected conductive network provides a fast transport channel for electrons and lithium ions and can also tolerate the volume expansion of sulfur electrodes during charge and discharge. In addition, the residual oxygen functional groups in the composites can form strong chemical bonding with sulfur. Therefore, at a high discharge rate of 1C, the capacity can still be maintained at 657 mAh g ~ (-1) after 450 cycles, showing good cyclic stability. The addition of heterogeneous atoms such as nitrogen and sulfur in carbon materials can regulate the properties of carbon materials and improve the interaction between carbon and sulfur. L- cysteine (L- cysteine) was used as dopant and structural regulator, glucose was used as carbon source, and high specific surface area and layered pore structure were obtained by hydrothermal treatment and KOH activation. The chemical affinity between sulfur and carbon matrix is enhanced by combining the physical limit of the layered pore and the surface chemical bond cooperation. In order to further improve the transport of electrons and ions, a graphene oxide nitrogen-doped porous carbon nanochip with sandwich structure was prepared by using graphene oxide as template, glucose as carbon source and pyrrole as nitrogen source. Graphene can ensure rapid electron and lithium transport while thin nitrogen doped porous carbon on both sides can contain sulfur and limit the dissolution of polysulfide. At 2C rate, the initial discharge capacity of the carbon-sulfur positive electrode can reach 625 Ma h g ~ (-1). After 200 cycles, the capacity is still 461 mAh g ~ (-1), and the capacity loss per cycle is only 0.13%. Based on the overall structure design of lithium-sulfur battery, a thin and light multifunctional coating was coated on the surface of carbon-sulfur electrode by electrostatic spraying. The composite coating can effectively limit the dissolution of polysulphides and reuse trapped polysulphides through the synergism of the physical limits of porous carbon with the chemical bonding between conducting polymers and polysulphides. The utilization ratio of active substances is improved, and the ratio performance and cycle life of lithium-sulfur battery are improved.
【学位授予单位】:清华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TM912;TQ127.11
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,本文编号:2140436
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