手风琴结构层状Ti_3C_2材料在锂硫电池正极材料中的应用

发布时间：2017-05-10 07:00

  本文关键词：手风琴结构层状Ti_3C_2材料在锂硫电池正极材料中的应用，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：为了克服现今商业锂离子电池能量密度有限的问题,高能量密度二次电池已引起广泛的关注。而锂硫电池因其高理论比容量、5倍于商业化LiCoO2的高比能量而吸引众多眼球。不仅如此,单质硫元素还具有低成本、环境友好性以及来源丰富等优点。然而,在锂硫电池应用中,单质硫在充放电过程中硫体积的膨胀,电极的低导电性能和锂多硫化物的穿梭效应,这些现象会引起活性物质的损失,库仑效率降低和比容量速减。为了解决这些问题,研究者们把目光投入到碳材料、二维材料石墨烯等中。本文将手风琴结构层状Ti3C2(L-Ti3C2)材料与单质硫熔融复合用作锂硫电池的电极材料,并采用XRD、SEM、EDS、TGA以及电化学测试等手段对复合材料进行表征与测试,讨论了L-Ti3C2材料作为锂硫电池正极材料的可能性。一种简单而有效的方法是将Ti3AIC2粉末浸入50%的氢氟酸(HF)溶液中6 h,然后放入乙醇中进行超声。剥落Al原子层而得到L-Ti3C2材料的最佳工艺是：HF浓度为40%,反应时间为6 h,HF的体积为15 ml,超声时间为20 min,此时L-Ti3C2材料手风琴结构明显,层状薄且多,将L-Ti3C2材料应用于锂硫电池进行更深一步的研究。采用手风琴结构L-Ti3C2材料为原料,将其作为锂硫电池基体材料,随后高温封装法用将单质硫熔融进入Ti3C2基体材料得L-Ti3C2/S复合材料,作为锂硫电池正极材料。通过实验表明L-Ti3C2材料比表面积为7.8 m2/g,负载硫之后,比表面积只有1.6 m2/g;其孔结构主要以微孔为主。经过电化学测试发现由于其比表面积小、但其层间隙较多对单质硫吸附性能强等特点,制备得锂硫电池在200mA/g的电流密度下首次放电比容量高达1291 mAh/g,100次循环之后比容量稳定在970 mAh/g,表现出了较好的电化学性能。以L-Ti3C2/S复合材料为电极的锂硫电池具有良好的倍率性能,放电倍率的增加,比容量衰减较小,当从高倍率回到最初值时,比容量基本能恢复到原来数值,其可逆性良好。采用L-Ti3C2材料作为锂硫电池正极材料时,其电导率由于表面F、O/OH等基团的存在而降低,将L-Ti3C2材料用氨水和乙酸改性,使其表面的官能团不同,并用于锂硫电池正极材料,经电化学测试可发现氨水改性引入了氨基,但锂硫电池的首次放电比容量仍然没有提高,相比没有改性之前的L-Ti3C2材料的比容量较高,说明用氨水和乙酸对L-Ti3C2材料改性,材料首次充放电比容量以及循环性能都受到了负面影响。
【关键词】：层状Ti_3C_2 手风琴结构 复合材料 锂硫电池
【学位授予单位】：海南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：J624.3
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 1 引言8-27
• 1.1 锂硫电池简介8-11
• 1.1.1 锂硫电池的结构和工作原理8-10
• 1.1.2 锂硫电池性能的影响因数10-11
• 1.2 锂硫电池正极材料研究现状11-17
• 1.2.1 包覆型正极材料12-14
• 1.2.2 负载型正极材料14-15
• 1.2.3 复合型正极材料15-17
• 1.3 锂硫电池电解液17-18
• 1.3.1 液态有机溶剂电解质17
• 1.3.2 全固态电解质17-18
• 1.3.3 凝胶聚合物电解质18
• 1.4 用作锂硫电池电极的二维材料18-26
• 1.4.1 二维材料的种类18-20
• 1.4.2 二维材料的合成技术20-21
• 1.4.3 新型剥落型二维材料MXenes21-23
• 1.4.4 新型二维材料MXenes性能23-24
• 1.4.5 二维材料MXenes的嵌锂机理和研究现状24-26
• 1.5 课题依据和研究内容26-27
• 2 实验方法27-31
• 2.1 实验原料及合成设备27-28
• 2.1.1 实验原料27-28
• 2.1.2 实验合成设备28
• 2.2 材料表征28-29
• 2.2.1 物相分析28
• 2.2.2 表面形貌分析28
• 2.2.3 比表面积和孔结构分析28-29
• 2.2.4 热重分析29
• 2.3 材料电化学性能测试29-31
• 2.3.1 电极片的制备29
• 2.3.2 纽扣电池组装29
• 2.3.3 恒流充放电测试29
• 2.3.4 循环伏安测试29-30
• 2.3.5 电化学阻抗谱测试30-31
• 3 手风琴结构L-Ti_3C_2的制备31-37
• 3.1 引言31
• 3.2 实验部分31-32
• 3.2.1 实验原料及试剂31-32
• 3.2.2 实验仪器32
• 3.2.3 L-Ti_3C_2的剥落过程32
• 3.2.4 实验工艺流程图32
• 3.3 结果与讨论32-36
• 3.3.1 单因素实验结果与讨论32-34
• 3.3.2 正交实验结果与讨论34-36
• 3.4 本章小结36-37
• 4 L-Ti_3C_2/S复合材料的制备及性能37-52
• 4.1 引言37-38
• 4.2 L-Ti_3C_2/S复合材料的制备38-39
• 4.3 L-Ti_3C_2负载不同比例硫的制备39
• 4.4 结构表征39-40
• 4.4.1 表面形貌表征39
• 4.4.2 热重分析39-40
• 4.5 L-Ti_3C_2负载不同比例硫电化学性能分析40-41
• 4.5.1 电池装配40
• 4.5.2 L-Ti_3C_2负载不同比例硫充放电性能测试40-41
• 4.6 原样Ti_3AlC_2负载硫电化学性能41-42
• 4.6.1 形貌分析41
• 4.6.2 充放电性能测试41-42
• 4.7 电池的组装42-43
• 4.8 L-Ti_3C_2/S复合材料的表征及电化学性能表征43-51
• 4.8.1 X-射线衍射分析43
• 4.8.2 扫描电子显微镜分析43-44
• 4.8.3 透射电子显微镜分析44-45
• 4.8.4 比表面积分析45-46
• 4.8.5 热重分析46
• 4.8.6 L-Ti_3C_2/S复合材料充放电性能测试46-48
• 4.8.7 L-Ti_3C_2/S复合材料循环伏安测试48-49
• 4.8.8 L-Ti_3C_2/S复合材料倍率性能测试49-50
• 4.8.9 L-Ti_3C_2/S复合材料交流阻抗谱测试50-51
• 4.9 本章小结51-52
• 5 改性L-Ti_3C_2对锂硫电池的影响52-56
• 5.1 引言52
• 5.2 L-Ti_3C_2改性52-53
• 5.2.1 乙酸改性52
• 5.2.2 氨水改性52-53
• 5.3 改性L-Ti_3C_2表面官能团测定53
• 5.4 改性L-Ti_3C_2电化学性能分析53-55
• 5.4.1 电池组装53
• 5.4.2 改性L-Ti_3C_2充放电性能测试53-55
• 5.5 本章小结55-56
• 6 结论与展望56-58
• 参考文献58-66
• 附录 (攻读学位期间发表的论文)66-67
• 致谢67

【参考文献】

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本文编号：354203