【摘要】：鋰硫電池由于原料來源豐富,價格低廉,同時還擁有較高的理論能量密度(1675 mA h g~(-1))、能量密度(2600 Wh Kg~(-1)),被認為是最可能替代鋰離子電池的二次電池。但由于正極硫的導電性較差、充放電過程中的體積變化較大、穿梭效應(yīng)等,使得鋰硫電池的循環(huán)穩(wěn)定性與倍率性能都較差,因此現(xiàn)在可商業(yè)化的鋰硫電池極少。為改善鋰硫電池的性能,本論文旨在尋找一種可有效阻礙多硫化鋰穿梭至負極的導電材料并用于隔膜改性,從而抑制穿梭效應(yīng),提升活性物質(zhì)硫的利用率。鋰硫電池的電化學性能得到了很大的提升。具體工作如下:1.采用了直接氫氟酸刻蝕、氟鹽加酸原位剝離兩種不同方法合成MXene(Ti_3C_2)納米片,并對所制得的納米片進行了多項表征,主要研究結(jié)果為:HF刻蝕法制得的MXene納米片尺寸較小、片層較厚,成膜性較差,產(chǎn)率相對較低,過程較復雜。氟鹽加酸原位剝離法,操作簡單,合成時間較短,毒性較低,產(chǎn)率較高,可達到75%,合成的單片層MXene納米片達到了微米級,成膜性很好,可較好的形成超薄膜。同時制得的MXene納米片表面存在著豐富的-OH、=O等基團,納米片上Ti、C、F、O等元素均勻分布。2.利用簡單的真空抽濾的方法在商業(yè)化PP隔膜上負載一層輕薄的MXene層,該層厚度僅350 nm,載量為0.075 mg cm~(-2)。作為鋰硫電池的改性隔膜(MXene@PP),MXene@PP隔膜既具有較好的穩(wěn)定性,可改善隔膜對電解液的親和度,也能抑制穿梭效應(yīng),提升活性物質(zhì)硫的利用率。改性隔膜電池也表現(xiàn)出不亞于PP隔膜電池的鋰離子導電性,說明較薄的修飾層并未影響鋰離子的傳輸。結(jié)果表明,0.2 C下,首次放電比容量為1146 mA h g~(-1),100次循環(huán)后的可逆容量為554 mA h g~(-1)。1 C下首次放電比容量為844 mA h g~(-1),500次循環(huán)過程中平均每圈衰減率僅為0.079%。自放電測試中,經(jīng)過72 h擱置,放電比容量衰減率為8.3%,小于PP隔膜組裝電池自放電后的容量衰減率(13.65%)。
【圖文】：

第一章 緒論形成限域作用，較好的抑制了多硫化鋰穿梭至負極。因此，在該研究中電池展現(xiàn)出良好的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。Xiong 和他的同事們[30]制備了一種微孔-介孔-碳納米管/硫正極電池。介孔可以存儲過量的PS以及提高Li+的傳輸能力，微孔結(jié)構(gòu)可以抑制穿梭效應(yīng)，提升活性物質(zhì)硫的利用率。不僅可以促進充放電過程中電子和離子的傳輸，，也可以有效的抑制 PS 的穿梭。更重要的是，正極的內(nèi)空腔可以容納更多的硫，緩解充放電過程中的體積變化。即使是在 1600 mA g-1的電流密度下，在 150 個循環(huán)中，電池單次循環(huán)衰減率只有約 0.13%。

400 次循環(huán)過程中，平均每圈容量衰減率為 0.05%。Yang 和同事們[34]制備種碳基三明治結(jié)構(gòu)的材料作為硫正極。這個三明治結(jié)構(gòu)包括石墨烯層和兩層氮摻雜碳。設(shè)計的三明治結(jié)構(gòu)正極可以存儲大量的硫，化學吸附多硫化鋰在氮摻雜的多孔上。與此同時，該材料具有較高的比表面積（~2677 m2g-1）和孔隙體積（~1.8 cm3g-1）有利于存儲大量的 PS，尤其有利于容納體積變化。Li 的團隊[35]制備了一種具有全烯層次結(jié)構(gòu)的鋰硫電池正極，由三層組成，包括高導電性石墨烯層（作為集流體）孔石墨烯層（用于限制硫的體積膨脹），以及部分氧化石墨烯層（用于抑制 PS 的）。高導電性石墨烯層提供高效的電子傳輸通道并且避免了金屬集流體的腐蝕和溶解孔石墨烯擁有 3.51 cm3g-1的孔體積，可負載高達 80 wt%的硫。部分氧化石墨烯帶量的含氧官能團，用來作為 PS 吸附層，可以有效抑制“穿梭效應(yīng)”。因此，帶有墨烯正極結(jié)構(gòu)的電池的初始容量很高，可達到 1500 mA h g-1，且循環(huán)性穩(wěn)定性很好體表現(xiàn)為 400 次循環(huán)以后，面積容量依然高達 4.2 mA h cm-2。
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB383.1;TM912

【參考文獻】

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1 馬國強;溫兆銀;王清松;靳俊;吳相偉;張敬超;;CeO_2納米晶的添加對鋰硫電池電化學性能的影響[J];無機材料學報;2015年09期

2 胡菁菁;李國然;高學平;;鋰/硫電池的研究現(xiàn)狀、問題及挑戰(zhàn)[J];無機材料學報;2013年11期

本文編號：2628591