锂硫电池正极材料的制备以及电化学性能研究

发布时间：2017-12-15 19:29

  本文关键词：锂硫电池正极材料的制备以及电化学性能研究

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【摘要】：锂硫电池具有理论能量密度高、成本低和环境友好等优点,被认为是最有发展前景的能量存储技术之一,但目前其实际应用仍然受诸多因素限制,尤其是活性物质硫和放电产物的绝缘性、中间产物聚硫化物的穿梭以及硫正极在循环过程中较大的体积变化等。尽管研究者们已经报道了很多改性方案,尤其是将硫封装于各类导电炭基多孔载体中,但这些方案在解决容量衰减和动力学滞后等问题方面的进展仍然有限。本文设计和制备了新的锂硫电池复合正极材料,以导电中孔炭微球(MCM)为基础,将极性金属氧/硫化物均匀地负载于MCM框架中,作为高效的硫正极载体材料,协同物理和化学吸附作用束缚聚硫化物,显著改善了硫正极的电化学性能。此外,本文还将理论模拟计算与电化学测试以及其他表征方法进行了有效结合。论文的主要结论如下:(1)通过液相浸渍法将Nb2O5纳米颗粒负载到MCM框架中,随后用熔融浸渍法负载单质硫后得到了高倍率性能的MCM/Nb2O5/S复合正极材料。吸附实验和理论计算共同表明,与MCM相比,MCM/Nb2O5复合载体材料结合了物理和化学吸附作用,对聚硫化物具有更强的束缚能力。此外,本文利用循环伏安测试对硫正极的电化学动力学进行了分析和计算,结果表明,Nb205纳米颗粒可以作为一种电化学催化剂,明显促进聚硫化物还原反应动力学,尤其是长链Li2S6/Li2S4还原为短链Li2S2/Li2S的液固反应阶段。结合以上各优势,所得MCM/Nb205/S复合正极材料在0.5C的电流密度下,首次放电容量为1289 mAh g~(-1)，在循环200次后仍能保持913 mAh g~(-1)的可逆容量。更重要的是,此复合正极在5C下的倍率容量高达887 mAh g~(-1),在2C下循环500次后的可逆容量高达650 mAh g~(-1)，体现了高放电比容量、优异的循环稳定性和超高的倍率性能。同时,这种利用电催化加快聚硫化物还原反应速率的新思路,也为未来高倍率且长循环的锂硫电池的设计提供了理论指导。(2)采用水热法在MCM框架中分别负载了 MoS_2和MoO_2,分别得到MCM/MoS_2和MCM/MoO_2复合材料,作为硫正极的载体材料。实验结果表明,在MCM中添加MoS_2或MoO_2后,硫正极的电化学性能均有明显的提高,其中MCM/MoS_2/S正极表现出更高的容量、更好的循环稳定性和倍率性能。此外,MoS_2在硫正极的工作电压窗口内具有电化学活性,可以提供附加容量,且能在醚系电解液中保持稳定的放电容量。当用MoS_2替代部分非电化学活性的载体时,可以提高硫正极的整体容量。这种利用电化学活性的载体提高电极整体容量的思路为进一步提高硫正极的电化学性能提供了参考。
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB33;TM912

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1 陶颖卿;锂硫电池正极材料的制备以及电化学性能研究[D];华东理工大学;2017年

2 吴凡;有机聚硫化物的合成及其缓蚀性能研究[D];武汉纺织大学;2011年

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本文编号：1293162