多孔碳材料的设计、改性及其在新型锂碲电池中的应用
发布时间：2020-08-25 22:04
【摘要】：锂碲电池是一种以碲为正极,金属锂作负极的新型电池体系。由于正极材料碲具有超高的电子导电率和较高的体积比容量,锂碲电池在储能领域颇具发展前景。然而,由于碲在充放电过程中会出现严重的体积膨胀,并且中间产物多碲化锂会溶解于醚类电解液中,进而导致锂碲电池存在库伦效率不高、容量衰减明显等问题,因此,探究并开发具有较高比表面积、丰富的孔结构的多孔碳骨架并将其作为碲的载体,以制备循环稳定性良好的碲基正极材料,成为锂碲电池的研究重点。本论文主要对设计和制备具有较高电化学性能的碲基正极材料进行探索和研究。分别采用金属有机框架、生物质材料和大分子有机物三种碳源,通过合理的结构设计,采取适宜的合成方法,制备出具有不同孔隙结构的三种多孔碳骨架并作为碲的载体,探究了三种多孔碳/碲复合正极材料的储锂性能。具体研究工作如下:1.采用溶剂热方法合成金属有机框架CNT@Ni_2O(BDC)_2(CNT=碳纳米管,BDC=对苯二甲酸)并将其作为前驱体,通过高温裂解碳化,洗涤除去金属颗粒得到具有多通道的类血管-细胞组织的碳纳米管/空心碳球载体(CNT@HCC),通过高温熔融-扩散实现CNT@HCC载体与碲单质的复合,得到碳纳米管/空心碳球/碲(CNT@HCC/Te)复合正极材料,不仅实现了较高的活性物质负载量,而且在500次的充放电循环测试之后仍能保持约240 mAh g~(-1)的质量比容量。通过各项物理化学表征和电化学测试说明,类血管-细胞组织的碳纳米管/空心碳球合理的多通道结构设计对锂碲电池的性能具有重要影响。2.选取莲蓬壳作为生物质碳源,通过水热法除去莲蓬壳中的杂质元素,再高温碳化得到原始碳材料,进一步用KOH蚀刻活化得到丰富的微孔-介孔结构,合成具有肋骨状形貌的多孔碳框架(RHPC),其比表面积高达1660 m~2 g~(-1)。进一步熔融浸渍封装碲,最终得到的肋骨状多孔碳/碲(RHPC/Te)复合材料作锂碲电池正极,在锂碲电池性能测试中展现出优异的循环稳定性,在2C的电流密度下经过3600次恒流充放电循环之后还能保持288 mAh g~(-1)的质量比容量。研究证明,肋骨状多孔碳/碲复合材料丰富的微孔-介孔结构有效缓解了充放电过程中的体积膨胀,同时有效地抑制了活性物质的流失和结构的破坏,从而促进电池性能的提升。3.利用大分子有机物壳聚糖、醋酸锌和二氧化硅纳米球进行凝胶化反应,采用冷冻干燥使凝胶脱水,进一步在氩气环境下高温煅烧,再将杂质彻底洗涤,得到兼具大孔-介孔-微孔的氮掺杂多层级孔隙碳泡沫(NHPCS),其丰富的多层级孔隙不仅为碲提供了足够的容纳空间,保证了较高的活性物质负载量,而且其大孔还能有效缓解体积膨胀,微孔有效吸附多碲化物,确保了充放电循环测试中的稳定性。另外,一定量的氮原子掺杂进一步提升了材料的导电性和电化学性能。氮掺杂多层级孔隙碳泡沫/碲(NHPCS/Te)作锂碲电池正极材料取得了优异的倍率性能,在承受10C的超高电流密度之下还能放出195 mAh g~(-1)的比容量。综上所述,我们通过合理的结构设计,采用三种不同的原料分别构筑了三种形貌独特且孔结构丰富的多孔碳材料,分别作为活性物质碲的载体,解决了碲在充放电过程中体积膨胀、中间产物溶解的问题,提高了电池的性能,为新型锂碲电池的研究提供了新思路。
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.11;TM912
【图文】：
图 1.1 锂硫电池结构示意图[24]。池的研究进展，法国巴黎电子技术公司的 Herbert 与 Ulam 在一篇专利念，锂硫电池的发展可追溯至此[29]。，Argonne 国家实验室的 Birk 和 Steunenberg 开发了一种温锂硫电池[30]。采用锂作负极，硫或硫化物作正极，电解液，组装成锂硫电池。研究中还提到硫在被还原的过间产物。然而，这种电池的实用性面临着很多挑战。9 年，以色列特拉维夫大学的 Peled 研究团队研究了室温下中的电化学表现，研究发现富有二氧戊环的电解液导电性液的导电性高出一个数量级，且锂硫电池采用前者作电解项研究为与溶剂相关的氧化还原反应机理提供了新的见解电解质成分的研究奠定了基础[31]。
图 1.1 锂硫电池结构示意图[24]。硫电池的研究进展2 年，法国巴黎电子技术公司的 Herbert 与 Ulam 在一篇专利中概念，锂硫电池的发展可追溯至此[29]。7 年，Argonne 国家实验室的 Birk 和 Steunenberg 开发了一种工高温锂硫电池[30]。采用锂作负极，硫或硫化物作正极，熔l 作电解液，组装成锂硫电池。研究中还提到硫在被还原的过程中间产物。然而，这种电池的实用性面临着很多挑战。1989 年，以色列特拉维夫大学的 Peled 研究团队研究了室温下硫液中的电化学表现，研究发现富有二氧戊环的电解液导电性要电解液的导电性高出一个数量级，且锂硫电池采用前者作电解液这项研究为与溶剂相关的氧化还原反应机理提供了新的见解，的电解质成分的研究奠定了基础[31]。
内实现新的突破[36-38]。的电化学原理离子电池“摇椅式”嵌锂-脱锂机制，Li-S 电池的反还原反应[39]。如图 1.3 所示，在放电过程中，锂离子到正极，与 S8发生反应，先生成中间产物多硫化锂反应过程如下：[40]S8+ 2 Li++ 2 e-→ Li2S83 Li2S8+ 2 Li++ 2 e-→ 4 Li2S62 Li2S6+ 2 Li++ 2 e-→ 3 Li2S4S4进一步被还原，发生如下反应：Li2S4+ 2 Li++ 2 e-→ 2 Li2S2Li2S2+ 2 Li++ 2 e-→ 2 Li2S正好相反，电池正极的硫化锂先被氧化成多硫化锂解质溶液回到负极。
本文编号：2804261
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.11;TM912
【图文】：
图 1.1 锂硫电池结构示意图[24]。池的研究进展，法国巴黎电子技术公司的 Herbert 与 Ulam 在一篇专利念，锂硫电池的发展可追溯至此[29]。，Argonne 国家实验室的 Birk 和 Steunenberg 开发了一种温锂硫电池[30]。采用锂作负极，硫或硫化物作正极，电解液，组装成锂硫电池。研究中还提到硫在被还原的过间产物。然而，这种电池的实用性面临着很多挑战。9 年，以色列特拉维夫大学的 Peled 研究团队研究了室温下中的电化学表现，研究发现富有二氧戊环的电解液导电性液的导电性高出一个数量级，且锂硫电池采用前者作电解项研究为与溶剂相关的氧化还原反应机理提供了新的见解电解质成分的研究奠定了基础[31]。
图 1.1 锂硫电池结构示意图[24]。硫电池的研究进展2 年，法国巴黎电子技术公司的 Herbert 与 Ulam 在一篇专利中概念，锂硫电池的发展可追溯至此[29]。7 年，Argonne 国家实验室的 Birk 和 Steunenberg 开发了一种工高温锂硫电池[30]。采用锂作负极，硫或硫化物作正极，熔l 作电解液，组装成锂硫电池。研究中还提到硫在被还原的过程中间产物。然而，这种电池的实用性面临着很多挑战。1989 年，以色列特拉维夫大学的 Peled 研究团队研究了室温下硫液中的电化学表现，研究发现富有二氧戊环的电解液导电性要电解液的导电性高出一个数量级，且锂硫电池采用前者作电解液这项研究为与溶剂相关的氧化还原反应机理提供了新的见解，的电解质成分的研究奠定了基础[31]。
内实现新的突破[36-38]。的电化学原理离子电池“摇椅式”嵌锂-脱锂机制，Li-S 电池的反还原反应[39]。如图 1.3 所示，在放电过程中，锂离子到正极，与 S8发生反应，先生成中间产物多硫化锂反应过程如下：[40]S8+ 2 Li++ 2 e-→ Li2S83 Li2S8+ 2 Li++ 2 e-→ 4 Li2S62 Li2S6+ 2 Li++ 2 e-→ 3 Li2S4S4进一步被还原，发生如下反应：Li2S4+ 2 Li++ 2 e-→ 2 Li2S2Li2S2+ 2 Li++ 2 e-→ 2 Li2S正好相反，电池正极的硫化锂先被氧化成多硫化锂解质溶液回到负极。
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 刁岩;谢凯;洪晓斌;熊仕昭;;Li-S电池硫正极性能衰减机理分析及研究现状概述[J];化学学报;2013年04期
本文编号：2804261
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