二硫化鉬基鋰硫電池正極材料的制備及性能研究
發(fā)布時間：2021-01-24 12:14
鋰硫電池的理論比能量（2600Wh/kg）高,是目前商業(yè)化鋰離子電池的3～5倍,且相比鋰-空氣電池,其更具實用化的可能,但目前依然存在正極材料導(dǎo)電性差、穿梭效應(yīng)等問題,阻礙了其商業(yè)化。MoS2是典型的層狀過渡金屬硫化物,含有金屬-硫鍵,可以與多硫化物通過靜電作用或化學(xué)鍵的作用結(jié)合起來,在一定程度上起到固定聚硫基團(tuán)防止其溶解的作用,從而抑制穿梭效應(yīng)。所以將硫與MoS2和碳材料結(jié)合作為鋰硫電池正極活性材料不僅能提高材料的導(dǎo)電性,也能抑制穿梭效應(yīng),成為當(dāng)前鋰硫電池的研究熱點。本文將類石墨烯二維層狀MoS2和三維蜂窩狀MoS2納米材料應(yīng)用在鋰硫電池正極材料中,采用球磨法、傳統(tǒng)水熱法和管式爐法成功制備了類石榴狀硫/炭黑/MoS2復(fù)合材料和蜂窩狀硫/炭黑/MoS2復(fù)合材料。通過SEM、XRD等測試手段,對樣品的微觀形貌和晶型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征,采用充放電測試和循環(huán)伏安測試等測試方法對材料的電化學(xué)性能進(jìn)行了研究,探討了不同組分和形貌對電化學(xué)性能的影響。（1）以硫為基體,通過...
【文章來源】：西安建筑科技大學(xué)陜西省
【文章頁數(shù)】：78 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
Li-S電池結(jié)構(gòu)示意圖[11]
西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文3圖1.1Li-S電池結(jié)構(gòu)示意圖[11]Fig1.1SchematicdiagramofLi-Sbattery[11].鋰硫電池具有較高的理論比容量(1675mA﹒h/g)，而且正極材料硫的分子量小[16-17]，因此鋰硫電池的理論質(zhì)量比能量和體積比能量高，可以滿足大型設(shè)備的需求，它目前在理論上是可以用于電動汽車、航天器等高尖端儲能技術(shù)領(lǐng)域的一種理想儲能材料和設(shè)備[18]。另一方面，鋰硫二次電池的商業(yè)化發(fā)展在化石電能的儲存應(yīng)用方面仍然具有很好的商業(yè)應(yīng)用發(fā)展前景，對于減少化石生物燃料的商業(yè)化使用及對環(huán)境的保護(hù)具有重要的指導(dǎo)意義。圖1.2Li-S電池工作原理示意圖[12]Fig1.2VoltageprofilesofaLi-Sbattery[12].1.3鋰硫電池正極材料的研究現(xiàn)狀鋰硫電池的研發(fā)思路源于1962年Herbert等[19]首先提出采用硫作為電池正極的想法；美國通用汽車公司在1964年也提出以硫或其化合物為正極材料的研發(fā)思路[20]。1976年Whittingham等[21]已經(jīng)研發(fā)出了以鋰為負(fù)極、硫化物為正極的二
西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文8生一定的交聯(lián)作用，在改善鋰硫電池循環(huán)性能方面，這種交聯(lián)作用比物理作用效果更好。圖1.3硫-聚苯胺納米管復(fù)合物（SPANI-NT/S）的合成與充電過程[60]Fig1.3Schemeofthesynthesisanddischarge/chargeprocessoftheSPANI-NT/S[60].利用化學(xué)原理來抑制穿梭效應(yīng)以提高電池循環(huán)性能的思路受到越來越多的關(guān)注。但是在目前的研究中，大部分聚合物很難與多硫離子形成穩(wěn)定的化學(xué)作用，進(jìn)而有效地提高電池的循環(huán)性能[63-64]。而且聚合物分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其與硫及其硫化合物之間的相互作用機(jī)理理論還不夠成熟，不能很好地指導(dǎo)大規(guī)模生產(chǎn)并實現(xiàn)商業(yè)化，這成為聚合物在鋰硫電池中應(yīng)用所面臨的主要問題。1.3.3硫-金屬氧化物復(fù)合金屬氧化物和硫化物由于表面具有較多的極性鍵，可以吸附充放電過程中產(chǎn)生的部分多硫化鋰，降低其在溶液中的溶解度；另外，金屬氧化物可以形成3D形態(tài)納米級結(jié)構(gòu)，有助于多硫化物之間的相互轉(zhuǎn)化，對主體材料與多硫化物之間的結(jié)合發(fā)揮著關(guān)鍵作用，在鋰硫電池正極材料的改性方面有廣泛的應(yīng)用[65-66]。李[67]以介孔MoO2為基體材料，通過加熱MoO2與硫的混合材料制備了介孔MoO2/S復(fù)合材料，通過氧化物與多硫化物之間的鍵合作用來抑制材料的溶解，利用MoO2的介孔結(jié)構(gòu)和良好的電子導(dǎo)電性以提高硫的負(fù)載率，從而改進(jìn)鋰硫電池的循環(huán)可逆性。Liang等[68]提出了一種采用濕化學(xué)合成方法在硫材料表層構(gòu)筑氧化物核殼結(jié)構(gòu)的思路，通過KMnO4與硫的反應(yīng)，在氧化過程中將MnO2層原位包覆于硫材料外層，在2C倍率1700次循環(huán)下其單次循環(huán)容量衰減僅為0.039%；此外，直接氧化的微米尺寸的升華硫，也能穩(wěn)定循環(huán)800次。但由于其核內(nèi)材料
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]金屬氧化物用于鋰硫電池硫正極材料改性的研究進(jìn)展[J]. 惠鵬,楊蓉,鄧七九,燕映霖,許云華. 化學(xué)通報. 2019(11)
[2]過渡金屬硫化物改性鋰硫電池正極材料[J]. 樊潮江,燕映霖,陳利萍,陳世煜,藺佳明,楊蓉. 化學(xué)進(jìn)展. 2019(08)
[3]碳基/硫復(fù)合材料用于鋰-硫電池正極的研究[J]. 柳孟蘭. 化工技術(shù)與開發(fā). 2019(05)
[4]碳微球的制備及應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 許可,曾丹林. 應(yīng)用化工. 2018(11)
[5]Core-shell structured MoS2@S spherical cathode with improved electrochemical performance for lithium-sulfur batteries[J]. Songpu Cheng,Xiaohong Xia,Hongbo Liu,Yuxi Chen. Journal of Materials Science & Technology. 2018(10)
[6]鋰硫電池正極硫炭復(fù)合材料的制備及性能研究[J]. 楊勝杰,張曉麗,路永廣. 電源技術(shù). 2018(07)
[7]二硫化鉬包覆聚丙烯隔膜在鋰硫電池中的應(yīng)用[J]. 許慶凱,田少康,李陶然,王志群,李磊. 功能高分子學(xué)報. 2018(05)
[8]鋰硫電池硫正極材料研究進(jìn)展[J]. 陳子沖,方如意,梁初,甘永平,張文魁. 材料導(dǎo)報. 2018(09)
[9]共軛納米孔聚合物在鋰硫電池中的應(yīng)用[J]. 徐飛,楊書浩,劉千惠,李賀軍,魏秉慶,王洪強(qiáng). 功能高分子學(xué)報. 2018(04)
[10]鋰硫電池正極材料研究進(jìn)展[J]. 鄭智慧,谷峰,趙曉琳,王有偉,高彥峰,劉建軍. 化學(xué)通報. 2018(02)
博士論文
[1]硫/多孔碳復(fù)合正極材料的制備及電化學(xué)性能研究[D]. 龔志杰.浙江大學(xué) 2016
[2]石墨烯和過渡金屬硫化物結(jié)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用的理論研究[D]. 趙文.清華大學(xué) 2015
[3]二硫化鉬納米片（管）及其復(fù)合物的制備和性能研究[D]. 劉文宏.合肥工業(yè)大學(xué) 2015
[4]鋰硫電池硫正極材料的設(shè)計、制備及性能研究[D]. 孫福根.華東理工大學(xué) 2014
[5]二次鋰電池用硫基復(fù)合正極材料的研究[D]. 尹利超.上海交通大學(xué) 2012
[6]球磨法用于制備納米功能材料[D]. 陶濤.中南大學(xué) 2011
碩士論文
[1]釤釔修飾炭氣凝膠基硫電極的制備及鋰硫電池性能的研究[D]. 丁中強(qiáng).合肥工業(yè)大學(xué) 2018
[2]石墨烯基三元正極材料的制備及其電化學(xué)性能研究[D]. 韓乃旺.沈陽理工大學(xué) 2017
[3]隔膜上改性多壁碳納米管涂層對鋰—硫電池性能的影響研究[D]. 程興.北京化工大學(xué) 2016
[4]二硫化鉬/碳化鉬納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備及其光輔助電催化析氫性能研究[D]. 張凱.哈爾濱工程大學(xué) 2016
[5]磷酸鐵鋰正極材料的制備、改性及其電化學(xué)儲鋰性能的研究[D]. 葛其勝.中國計量學(xué)院 2015
[6]鋰硫電池硫/碳復(fù)合正極材料的研究[D]. 李振華.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2014
[7]導(dǎo)電MoO2在高功率電容器和高容量鋰硫電池中的應(yīng)用研究[D]. 李心勇.蘇州大學(xué) 2014
[8]過渡金屬硫化物（MoS2，CoS2）的合成與電化學(xué)性能研究[D]. 邱彬.北京工業(yè)大學(xué) 2013
[9]不同形態(tài)的碳在鋰硫電池正極材料中的應(yīng)用[D]. 楊曉嬌.山西師范大學(xué) 2013
[10]炭黑的表面化學(xué)改性研究[D]. 鄒薇.南京理工大學(xué) 2005
本文編號：2997228
【文章來源】：西安建筑科技大學(xué)陜西省
【文章頁數(shù)】：78 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
Li-S電池結(jié)構(gòu)示意圖[11]
西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文3圖1.1Li-S電池結(jié)構(gòu)示意圖[11]Fig1.1SchematicdiagramofLi-Sbattery[11].鋰硫電池具有較高的理論比容量(1675mA﹒h/g)，而且正極材料硫的分子量小[16-17]，因此鋰硫電池的理論質(zhì)量比能量和體積比能量高，可以滿足大型設(shè)備的需求，它目前在理論上是可以用于電動汽車、航天器等高尖端儲能技術(shù)領(lǐng)域的一種理想儲能材料和設(shè)備[18]。另一方面，鋰硫二次電池的商業(yè)化發(fā)展在化石電能的儲存應(yīng)用方面仍然具有很好的商業(yè)應(yīng)用發(fā)展前景，對于減少化石生物燃料的商業(yè)化使用及對環(huán)境的保護(hù)具有重要的指導(dǎo)意義。圖1.2Li-S電池工作原理示意圖[12]Fig1.2VoltageprofilesofaLi-Sbattery[12].1.3鋰硫電池正極材料的研究現(xiàn)狀鋰硫電池的研發(fā)思路源于1962年Herbert等[19]首先提出采用硫作為電池正極的想法；美國通用汽車公司在1964年也提出以硫或其化合物為正極材料的研發(fā)思路[20]。1976年Whittingham等[21]已經(jīng)研發(fā)出了以鋰為負(fù)極、硫化物為正極的二
西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文8生一定的交聯(lián)作用，在改善鋰硫電池循環(huán)性能方面，這種交聯(lián)作用比物理作用效果更好。圖1.3硫-聚苯胺納米管復(fù)合物（SPANI-NT/S）的合成與充電過程[60]Fig1.3Schemeofthesynthesisanddischarge/chargeprocessoftheSPANI-NT/S[60].利用化學(xué)原理來抑制穿梭效應(yīng)以提高電池循環(huán)性能的思路受到越來越多的關(guān)注。但是在目前的研究中，大部分聚合物很難與多硫離子形成穩(wěn)定的化學(xué)作用，進(jìn)而有效地提高電池的循環(huán)性能[63-64]。而且聚合物分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其與硫及其硫化合物之間的相互作用機(jī)理理論還不夠成熟，不能很好地指導(dǎo)大規(guī)模生產(chǎn)并實現(xiàn)商業(yè)化，這成為聚合物在鋰硫電池中應(yīng)用所面臨的主要問題。1.3.3硫-金屬氧化物復(fù)合金屬氧化物和硫化物由于表面具有較多的極性鍵，可以吸附充放電過程中產(chǎn)生的部分多硫化鋰，降低其在溶液中的溶解度；另外，金屬氧化物可以形成3D形態(tài)納米級結(jié)構(gòu)，有助于多硫化物之間的相互轉(zhuǎn)化，對主體材料與多硫化物之間的結(jié)合發(fā)揮著關(guān)鍵作用，在鋰硫電池正極材料的改性方面有廣泛的應(yīng)用[65-66]。李[67]以介孔MoO2為基體材料，通過加熱MoO2與硫的混合材料制備了介孔MoO2/S復(fù)合材料，通過氧化物與多硫化物之間的鍵合作用來抑制材料的溶解，利用MoO2的介孔結(jié)構(gòu)和良好的電子導(dǎo)電性以提高硫的負(fù)載率，從而改進(jìn)鋰硫電池的循環(huán)可逆性。Liang等[68]提出了一種采用濕化學(xué)合成方法在硫材料表層構(gòu)筑氧化物核殼結(jié)構(gòu)的思路，通過KMnO4與硫的反應(yīng)，在氧化過程中將MnO2層原位包覆于硫材料外層，在2C倍率1700次循環(huán)下其單次循環(huán)容量衰減僅為0.039%；此外，直接氧化的微米尺寸的升華硫，也能穩(wěn)定循環(huán)800次。但由于其核內(nèi)材料
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]金屬氧化物用于鋰硫電池硫正極材料改性的研究進(jìn)展[J]. 惠鵬,楊蓉,鄧七九,燕映霖,許云華. 化學(xué)通報. 2019(11)
[2]過渡金屬硫化物改性鋰硫電池正極材料[J]. 樊潮江,燕映霖,陳利萍,陳世煜,藺佳明,楊蓉. 化學(xué)進(jìn)展. 2019(08)
[3]碳基/硫復(fù)合材料用于鋰-硫電池正極的研究[J]. 柳孟蘭. 化工技術(shù)與開發(fā). 2019(05)
[4]碳微球的制備及應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 許可,曾丹林. 應(yīng)用化工. 2018(11)
[5]Core-shell structured MoS2@S spherical cathode with improved electrochemical performance for lithium-sulfur batteries[J]. Songpu Cheng,Xiaohong Xia,Hongbo Liu,Yuxi Chen. Journal of Materials Science & Technology. 2018(10)
[6]鋰硫電池正極硫炭復(fù)合材料的制備及性能研究[J]. 楊勝杰,張曉麗,路永廣. 電源技術(shù). 2018(07)
[7]二硫化鉬包覆聚丙烯隔膜在鋰硫電池中的應(yīng)用[J]. 許慶凱,田少康,李陶然,王志群,李磊. 功能高分子學(xué)報. 2018(05)
[8]鋰硫電池硫正極材料研究進(jìn)展[J]. 陳子沖,方如意,梁初,甘永平,張文魁. 材料導(dǎo)報. 2018(09)
[9]共軛納米孔聚合物在鋰硫電池中的應(yīng)用[J]. 徐飛,楊書浩,劉千惠,李賀軍,魏秉慶,王洪強(qiáng). 功能高分子學(xué)報. 2018(04)
[10]鋰硫電池正極材料研究進(jìn)展[J]. 鄭智慧,谷峰,趙曉琳,王有偉,高彥峰,劉建軍. 化學(xué)通報. 2018(02)
博士論文
[1]硫/多孔碳復(fù)合正極材料的制備及電化學(xué)性能研究[D]. 龔志杰.浙江大學(xué) 2016
[2]石墨烯和過渡金屬硫化物結(jié)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用的理論研究[D]. 趙文.清華大學(xué) 2015
[3]二硫化鉬納米片（管）及其復(fù)合物的制備和性能研究[D]. 劉文宏.合肥工業(yè)大學(xué) 2015
[4]鋰硫電池硫正極材料的設(shè)計、制備及性能研究[D]. 孫福根.華東理工大學(xué) 2014
[5]二次鋰電池用硫基復(fù)合正極材料的研究[D]. 尹利超.上海交通大學(xué) 2012
[6]球磨法用于制備納米功能材料[D]. 陶濤.中南大學(xué) 2011
碩士論文
[1]釤釔修飾炭氣凝膠基硫電極的制備及鋰硫電池性能的研究[D]. 丁中強(qiáng).合肥工業(yè)大學(xué) 2018
[2]石墨烯基三元正極材料的制備及其電化學(xué)性能研究[D]. 韓乃旺.沈陽理工大學(xué) 2017
[3]隔膜上改性多壁碳納米管涂層對鋰—硫電池性能的影響研究[D]. 程興.北京化工大學(xué) 2016
[4]二硫化鉬/碳化鉬納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備及其光輔助電催化析氫性能研究[D]. 張凱.哈爾濱工程大學(xué) 2016
[5]磷酸鐵鋰正極材料的制備、改性及其電化學(xué)儲鋰性能的研究[D]. 葛其勝.中國計量學(xué)院 2015
[6]鋰硫電池硫/碳復(fù)合正極材料的研究[D]. 李振華.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2014
[7]導(dǎo)電MoO2在高功率電容器和高容量鋰硫電池中的應(yīng)用研究[D]. 李心勇.蘇州大學(xué) 2014
[8]過渡金屬硫化物（MoS2，CoS2）的合成與電化學(xué)性能研究[D]. 邱彬.北京工業(yè)大學(xué) 2013
[9]不同形態(tài)的碳在鋰硫電池正極材料中的應(yīng)用[D]. 楊曉嬌.山西師范大學(xué) 2013
[10]炭黑的表面化學(xué)改性研究[D]. 鄒薇.南京理工大學(xué) 2005
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