基于含钛碳纤维的纳米结构设计筑高性能锂硫电池正极

发布时间：2021-11-15 18:12

　　随着电动汽车和智能电子产业的发展,传统的锂离子电池越来越难以满足人们对高能量储能体系的迫切需求。锂硫电池的理论比容量高达1675 m Ah g^-1,理论能量密度达到2500 Wh kg^-1,远远高于目前的商业化锂离子电池,且锂硫电池的正极材料硫资源丰富且环境友好,因此,锂硫电池被视为最有潜力的下一代储能技术。但是,锂硫电池中也存在着诸多固有缺陷,如:正极单质硫和放电产物硫化锂的导电性较差;反应过程中伴随着较大的体积变化;充放电中间产物可溶性多硫化锂的“穿梭效应”等。因此,本文基于含钛碳纤维材料,进行了一系列的纳米结构设计,通过结构调控,制备了两种新颖的锂硫电池自支撑正极,并研究了其电化学性能。本文的主要研究内容和结论如下:1.以氧化钛碳纤维复合材料为基底（TiO₂-CNFs）,使用模板法在每一根纤维上原位引入氮化钛层和碳层,从而构筑了一种具有蛋黄-蛋壳（yolk-shell）结构的TiO₂-CNFs@void@Ti N@C自支撑纤维膜。通过改进的熔融扩散法,可以将单质硫渗入到TiO₂

【文章来源】：郑州大学河南省 211工程院校

【文章页数】：76 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

锂硫电池充放电机理图

1.绪论3基于上述反应电化学反应，锂硫电池有两个明显的放电平台，第一个放电平台包括了在电压为2.39V时Li2S8的形成和电压为2.37V时Li2S6的形成。第二个放电平台在2.1V左右，对应与液态Li2S4到固态Li2S2和Li2S的转变，如图1.1所示[19]。1.2.2锂硫电池中存在的问题尽管锂硫电池有着超高的理论能量密度，近年来锂硫电池相关的研究工作也有极大的进步，但锂硫电池在迈进商业化的进程中仍然面临诸多问题。除了面临枝晶锂和不稳定的SEI膜的形成以及所存在的安全隐患等这些与锂离子电池相似的问题之外[20]（图1.1），锂硫电池还存在许多固有的缺陷，如正极硫的低导电性，多硫化锂的穿梭效应等。而且，当正极中硫质量百分比的提升和单位面积负载量增加时，这些固有的缺陷会更加凸显。图1.2锂硫电池面临的问题[20]Figure1.2ChallengesinLi-Sbatteriessystem.根据锂硫电池的反应机理与实际的实验探索，想要实现锂硫电池的商业化应用，研究者们所需要解决的主要问题有三个[21-23]：（1）单质硫和其还原产物的导电性很差：单质硫在常温下的导电性仅为5×10-30Scm1，导致电子和离子在电池材料之间的传输效率很差，进而影响电池的电化学循环性能和倍率性能。不仅如此，由于放电过程中硫的还原产物Li2S2

2.TiO2-CNFs@void@TiN@C蛋黄-蛋壳纤维的制备及其在锂硫电池中的电化学性能研究14学工作站进行测试，CV扫速为0.1mVs1范围为扫描电压范围为1.7-2.7V，EIS测试的扫描范围为10mHz-200kHz。电池的恒流充放电测试是在蓝电（CT2001A）电池测试系统中进行，电压范围为1.7V-2.7V。将硫化锂和硫粉（摩尔比1:5）加入到普通锂硫电解液中制备0.2molL1的Li2S6电解液溶液。对称电池使用正负极使用质量相同的不含硫极片，然后滴加30μL上述Li2S6电解液溶液。2.2.5可视化多硫化锂吸附实验将50mLDOL和50mLDME加入样品瓶中，然后加入23mg硫化锂（Li2S）和80mg升华硫粉，在手套箱中搅拌12h后，得到5mmolL1的Li2S6溶液。取TiO2-CNFs@void@TiN@C，TiO2-CNFs@void@TiO2@C，TiO2-CNFs，CNFs各15mg碾碎后加入小瓶中，然后在每个小瓶中加入5mLLi2S6溶液，摇晃后静置，观察颜色变化。透明电池使用金属锂片为负极，TiO2-CNFs@void@TiN@C/S和CNFs/S分别作正极安装于透明电池槽，然后使用蓝电测试系统进行充放电测试，观察电解液中的多硫化锂扩散现象。2.3结果与讨论2.3.1TiO2-CNFs@void@TiN@C的结构与形貌TiO2-CNFs@void@TiN@C蛋黄-蛋壳纤维结构的合成策略如下图2.1所示：图2.1TiO2-CNFs@void@TiN@C蛋黄-蛋壳纤维结构的合成策略Figure2.1SynthesisprocessoftheTiO2-CNFs@void@TiN@Ccomposite通过静电纺丝法和后续的碳化处理可以得到均匀的TiO2-CNFs纤维膜，以TiO2-CNFs纤维膜为基底，采用硬模板法可以对纤维的微观结构进行改造。首先将一层SiO2作为模板原位包覆在TiO2-CNFs的表面。图2.2展示了TiO2-CNFs


本文编号：3497263