【摘要】：鋰硫電池因?yàn)楦弑饶?2500 Wh kg~(-1))而備受關(guān)注。同時(shí)硫元素在地球上儲量豐富,成本廉價(jià),無毒無害,這些優(yōu)點(diǎn)使得鋰硫電池逐漸向占據(jù)市場的鋰離子電池發(fā)出挑戰(zhàn)。但是,鋰硫電池的實(shí)用化進(jìn)程還飽受著許多制約,其中正極方面的問題可以歸納為:(1)充電態(tài)的S和放電態(tài)的Li_2S都屬于絕緣體,電子傳輸阻抗過大;(2)充電態(tài)S和放電態(tài)Li_2S密度不同,放電過程中會產(chǎn)生超過80%的體積膨脹;(3)硫電極在充放電過程中會產(chǎn)生多種不同長度的鏈狀多硫離子,這些中間產(chǎn)物會溶于電解液從而在正負(fù)極之間來回穿梭,使庫倫效率降低。針對以上正極問題,本文通過設(shè)計(jì)復(fù)合正極結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對中間產(chǎn)物溶解擴(kuò)散行為的調(diào)控,改善電池性能。本文主要研究內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下:(1)通過靜電紡絲設(shè)計(jì)合成了一種樹根狀TiN/C復(fù)合材料作為集流體制得自支撐鋰硫電池正極。在這個(gè)體系中,樹根狀結(jié)構(gòu)的多腔室網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)極大的促進(jìn)了多硫離子和電子的高效傳輸,TiN對多硫離子可以發(fā)生有效的化學(xué)吸附,同時(shí)有效促進(jìn)硫化鋰成核。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,硫的面負(fù)載量在4 mg cm~(-2)的條件下,可逆的放電比容量平均衰減率僅為0.1%。即使面負(fù)載量增大到6 mg cm~(-2)和8 mg cm~(-2)時(shí),電池依然表現(xiàn)出穩(wěn)定的循環(huán)。當(dāng)電池的面載量達(dá)到一個(gè)超高值(10.5 mg cm~(-2))時(shí),在0.2C的電流密度下,100圈次充放電過程中的可逆放電面容量能達(dá)到790 mAh g~(-1),按面容量計(jì)算為8.4 mAh cm~(-2),是現(xiàn)在鋰離子電池面容量(4 mAh cm~(-2))的兩倍之多。(2)設(shè)計(jì)合成了一種核殼結(jié)構(gòu)的C@MoS_2中空納米球用作硫載體。在電極過程中,中空碳球可以作為S/Li_2S氧化還原反應(yīng)的微區(qū),碳球內(nèi)部原位生長形成的MoS_2納米片對多硫離子的吸附作用可以限制其向負(fù)極的擴(kuò)散。在本體系中MoS_2在吸附多硫離子的同時(shí)還可以有效傳導(dǎo)電子,促進(jìn)多硫離子進(jìn)一步轉(zhuǎn)化從而提高電池倍率性能:在2C的電流密度下,比容量依然有706 mAh g~(-1);500圈內(nèi)的平均衰減率只有0.1%。
【圖文】：

種二次電池的能量密度的比較。顯而易見，鋰硫二次電池在能量密度方優(yōu)勢。目前，鋰硫電池已經(jīng)被公認(rèn)為是下一代高比能二次電池的代表，領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。日本文部科學(xué)省為削減溫室氣體制定了研究開技術(shù)振興機(jī)構(gòu)（JST）在 2016 年 2 月將鋰硫電池作為下一代蓄電池的發(fā)展 Oxis 公司在 2015 年 1 月份宣布開發(fā)出能量密度大于 300 Wh kg-1的鋰 年美國 Sion Power 公司研發(fā)出比能量高達(dá) 350 Wh kg-1的 Li-S 電池，將機(jī)上，白天利用太陽能供電，晚上依靠電池供電，實(shí)現(xiàn)了長達(dá)兩周的連續(xù) 年，該公司又宣布已經(jīng)研制出超過 20 A h 的 Li-S 軟包電池。在國外，、西門子等眾多大型公司也對 Li-S 電池的研究進(jìn)行了大量人力物力的投，等眾多科研機(jī)構(gòu)正在進(jìn)行 Li-S 電池的研究。大連化物所在 2013 年報(bào)出能量密度高達(dá) 350 Wh kg-1的軟包鋰硫電池，并且可以在 40 圈次內(nèi)穩(wěn) 年。中國防化院宣布研制出 500 Wh 的鋰硫電池反應(yīng)堆，由于電池的總1.8 kg），所以實(shí)際的能量密度已經(jīng)超過了 330 Wh kg-1。

華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文反應(yīng)生成短鏈的硫化物（(Li2Sn→Li2S2/Li2S，4≤n≤8），這一步是活性物質(zhì)沉積極表面，形成固相產(chǎn)物的過程，對應(yīng)著放電曲線的第二個(gè)平臺，電壓在 2.1V。這一平臺的容量貢獻(xiàn)約占硫電極理論比容量的 3/4（1257 mAh g-1）。充電過電化學(xué)反應(yīng)方向上與放電過程的反應(yīng)相反。從整體上來看，鋰硫電池是經(jīng)歷了“固→液→固”的兩相轉(zhuǎn)換過程，與嵌入-脫出的二次電池在本質(zhì)上有所不同，這得鋰硫電池的發(fā)展十分具有挑戰(zhàn)性[3, 4]。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM912;TB33

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