【摘要】：鋰硫電池中單質(zhì)硫正極材料,理論比容量可達(dá)1675 mAh g~(-1),而且硫具有資源豐富、價(jià)格低廉、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn),因此鋰硫電池被認(rèn)為是一種極具應(yīng)用前景的高能量密度二次電池。然而,硫及還原產(chǎn)物硫化鋰(Li_2S)的絕緣性、多硫化物在電解液中溶解引起的“穿梭效應(yīng)”以及充放電過(guò)程中硫正極體積變化大等缺點(diǎn),嚴(yán)重影響鋰硫電池的循環(huán)性能,限制其實(shí)際應(yīng)用。通過(guò)對(duì)作為硫載體的碳材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和表面改性,是改善鋰硫電池電化學(xué)性能的最主要手段。包含微孔、介孔甚至大孔結(jié)構(gòu)的碳材料可望兼具高比表面積和大孔容的特點(diǎn),能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)單質(zhì)硫的高效負(fù)載;而且,對(duì)碳材料進(jìn)行氮摻雜,不僅能改善其導(dǎo)電性,還能賦予其表面極性,從而通過(guò)強(qiáng)烈的化學(xué)吸附,抑制多硫化物的溶解損失。本論文制備了兩種氮摻雜的多級(jí)孔碳材料,并研究了相應(yīng)的硫/碳復(fù)合物正極材料的電化學(xué)性能。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:1、通過(guò)軟模板法合成有序介孔碳(OMC),并在氨氣氛圍下進(jìn)行活化處理,獲得了兼具高比表面積、大孔容和高含氮量的多級(jí)孔碳材料(NOMC)。系統(tǒng)研究了氨氣活化溫度(700°C-1000°C)和活化時(shí)間(1 h-15 h)對(duì)碳材料結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成的影響。典型NOMC材料的比表面積和孔容分別為1565 m~2 g~(-1)和0.88 cm~3g~(-1),氮含量達(dá)4.4 wt%。將NOMC與硫復(fù)合獲得鋰硫電池正極材料后,電化學(xué)測(cè)試表明,在335 mA g~(-1)電流密度下,首圈放電容量可達(dá)1095 mAh g~(-1),循環(huán)100圈后剩余容量為708 mAh g~(-1),容量保持率達(dá)65%。該電極材料良好的循環(huán)穩(wěn)定性應(yīng)得益于硫載體碳材料的多級(jí)孔結(jié)構(gòu)和氮摻雜,從而賦予材料良好的物理、化學(xué)吸附特性,有效抑制了多硫化物的“穿梭效應(yīng)”。2、發(fā)展了一種可大量合成具有“管中管”復(fù)雜多級(jí)結(jié)構(gòu)中空碳材料(MWNT-HC)的方法。該方法以正硅酸四乙酯(TEOS)為致孔劑前體,間苯二酚/甲醛(RF)樹(shù)脂為碳源,通過(guò)調(diào)控二者在溶膠-凝膠過(guò)程中聚合速率,將SiO_2和RF先后包覆在多壁碳納米管表面,經(jīng)過(guò)熱解碳化并蝕除SiO_2后,最終獲得碳納米管/中空多孔碳材料。典型材料MWNT-HC比表面積為967 m~2 g~(-1),孔容為1.93 cm~3 g~(-1),通過(guò)后處理法對(duì)MWNT-HC進(jìn)行氮摻雜,氮含量由1.2 wt%提升至4.2 wt%。將MWNT-HC與硫復(fù)合獲得鋰硫電池正極材料后,電化學(xué)測(cè)試表明,在335 mA g~(-1)電流密度下,首圈放電容量可達(dá)1272 mAh g~(-1),循環(huán)50圈后容量仍可保持為924 mAh g~(-1)。該氮摻雜中空碳材料不僅易于合成,而且具有高比表面積、大孔容的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),還可望用于超級(jí)電容器和燃料電池等其它儲(chǔ)能器件。
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O613.71;TB383.4;TM912
【圖文】：

隨著新能源的快速發(fā)展，包括軍事電源、民用運(yùn)輸和固定存儲(chǔ)個(gè)領(lǐng)域?qū)﹄姵氐哪芰棵芏忍岢隽烁叩囊�，使鋰硫電池的研究再度興2-34]。鋰硫電池具有 2600 Wh kg 1極高的理論能量密度（單質(zhì)硫作為正極材料屬鋰作為負(fù)極），比商業(yè)鋰電池的高出幾倍(LiCoO2/C 電池 387 Wh kg 1)[29, 34-使鋰硫電池的實(shí)際電池體系能量密度能夠達(dá)到理論能量密度的 20%，其能度也將達(dá)到 520 Wh kg 1。據(jù)報(bào)道，現(xiàn)今封裝式鋰硫電池的實(shí)際能量密度可 400-600 Wh kg 1(比商業(yè)鋰電池高 2~3 倍)，已經(jīng)能夠滿足電動(dòng)汽車行駛 5里距離的要求[29, 34]。如果能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期循環(huán)，那么鋰硫電池也能實(shí)現(xiàn)對(duì)可能源的儲(chǔ)存，如太陽(yáng)能、水能和風(fēng)能[29, 33]。自 2009 年以來(lái)，隨著 Nazar 等道了鋰硫電池性能的提高，鋰硫電池越來(lái)越受到人們的關(guān)注，研究者致力硫電池的核心技術(shù)，期望取得重大突破[38]。1.2.1 鋰硫電池的結(jié)構(gòu)及工作原理

5圖 1-2 鋰硫電池穿梭效應(yīng)原理示意圖[50]者近些年對(duì)鋰硫電池研究的加深[53]，針對(duì)以上這些對(duì)鋰硫電池進(jìn)行改進(jìn)：極結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。對(duì)硫正極材料的改進(jìn)是科研工作者

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本文編號(hào)：2719834