碳基纤维隔层制备及其储能功能研究

发布时间：2020-06-03 16:40

【摘要】：锂硫电池具有较高的能量密度并且其正极硫具有价格低廉、储备丰富和绿色环保的优点,是最有前景的新一代储能系统之一。但锂硫电池存在导电性差、穿梭效应和体积效应等问题,这导致锂硫电池循环寿命短,库伦效率低,严重制约锂硫电池实际应用。本文在综述国内外锂硫电池隔层的研究发展基础上,针对锂硫电池存在的问题,通过优化电池结构配置,提出以静电纺纳米纤维为对象,结合纺织品功能整理技术,开发新型碳纳米纤维隔层,获得高性能锂硫电池。本文主要研究了准分子紫外光微氧化碳纳米纤维(EUV-CNFs)、碳化铁复合碳纳米纤维(Fe_3C-CNFs)和丝素碳纳米纤维(SCNFs)的制备及其作为锂硫电池隔层的应用研究。主要研究工作如下:(1)以PAN为碳源,通过静电纺丝、碳化、准分子紫外灯辐照方法制备EUV-CNFs。对比辐照前后CNFs形貌和元素组成发现,辐照20min,纤维表面出现孔穴且氧含量明显升高,比表面积由599 m~2 g~(-1)提升至621 m~2 g~(-1)。EUV-CNFs作为锂硫电池隔层,在0.2 C电流密度下,电池具有1356 mAh g~(-1)的初始放电容量,在200次循环后比容量保留为917 mAh g~(-1),平均库伦效率98.8%,每圈容量衰减0.16%。分析其机理发现纤维表面氧化官能团通过Li-O相互作用,吸附溶解在电解液中的多硫化锂,并通过导电碳提供快速电子转移通道,实现高活性物质利用率。(2)FeSO_4与PAN进行混合纺丝,随后进行高温碳化,获得Fe_3C-CNFs。研究FeSO_4对碳纳米纤维形貌的影响,高温碳化后,FeSO_4转化成Fe_3C纳米颗粒并均匀分散在纤维表面/内部,纤维完整性变差。分析XPS和循环后Fe_3C-CNFs形貌,证明Fe_3C纳米颗粒可以吸附多硫化锂并均匀沉积在纤维表面。电化学测试结果表明,Fe_3C-CNFs作为锂硫电池隔层,在0.2 C电流密度下,具有1077 mAh g~(-1)的首次放电容量,100次循环后,可逆容量保留为914 mAh g~(-1),平均库伦效率达98.0%。计算锂离子扩散速率发现,Fe_3C不会明显影响锂离子扩散速率。(3)选用蚕茧为碳前躯体,经脱胶、溶解、过滤透析、冷冻干燥、静电纺丝、碳化一系列过程,获得丝素基碳纳米纤维。320°C时,丝素纳米纤维热损失最剧烈;360°C时,丝素纳米纤维β-折叠链结构逐渐脱N转变为共轭碳结构。800°C碳化后,丝素碳纳米纤维直径约为400 nm,比表面积为445 m~2 g~(-1),孔体积为0.24 cm~3 g~(-1)。设计正极隔层、负极隔层、正负极双隔层、无隔层四种不同结构配置锂硫电池,进行电化学性能测试。结果表明,具有双隔层结构锂硫电池表现出最佳的性能,在0.2 C电流密度下具有1164 mAh g~(-1)的高放电容量,并在200次循环后保持799 mAh g~(-1)的比容量。
【图文】：

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工大学硕士学位论文碳基纤维隔层制备及其储素。Mikhaylik 在 2010 年的电化学学会（ECS）会议上展示了锂硫图 1.1 中的蜘蛛图所示，与美国先进电池联盟（USABC）设定的电池足比能量、比功率、功率密度和低温性能的要求。然而，当前的锂率性能和充电时间方面无法达到标准，尤其是高温性能远远低于最锂硫电池技术的商业应用。

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3图 1.2 锂硫电池充电/放电工作示意图[18]硫电池是一种电化学存储装置，电能可以存储在硫电极中。图 1.2 显示了件及其操作（充电和放电）的示意图[18]。传统的锂硫电池由锂金属负极、复合正极组成。由于硫处于带电状态，单元操作从放电开始。在放电反应
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM912;TQ342

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