發(fā)布時(shí)間：2017-04-26 07:00

  本文關(guān)鍵詞：原位合成硫正極材料、電化學(xué)性能及活化機(jī)理研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：鋰硫電池具有充放電比容量高、成本低和環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì),是最有潛力的新一代電池系統(tǒng)。但硫自身的絕緣性和充放電中間產(chǎn)物易于溶解在電解液中等缺陷,嚴(yán)重制約了鋰硫電池的推廣與應(yīng)用。本論文設(shè)計(jì)合成了中空聚苯胺/硫復(fù)合材料(hPANI/S)、石墨烯/硫/聚苯胺復(fù)合材料(G/S/PANI)和石墨烯/硫/二氧化硅(G/S/SiO_2)復(fù)合材料,并研究了三種復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)、電化學(xué)性能及潛在改善機(jī)理;主要研究內(nèi)容如下:1.采用模板法和原位聚合法等制備中空聚苯胺/硫復(fù)合材料(hPANI/S)。TG-DSC測(cè)試復(fù)合材料S的含量為54.6 wt%。hPANI/S復(fù)合材料在充放電循環(huán)過程中,充放電比容量存在一個(gè)先降低然后趨于穩(wěn)定的過程,第100次循環(huán)后的放電比容量為601.2 mAh g-1;明顯優(yōu)于同等條件下純硫。材料形貌表征結(jié)果顯示:hPANI/S復(fù)合材料中的S顆粒尺寸明顯小于純S;循環(huán)伏安結(jié)果表明hPANI/S復(fù)合材料陰極還原峰低于純S,說明hPANI/S復(fù)合材料中硫與還原產(chǎn)物硫化鋰的相互轉(zhuǎn)化更易進(jìn)行;EIS結(jié)果顯示hPANI/S復(fù)合材料的導(dǎo)電性明顯優(yōu)于純硫。另外,中空結(jié)構(gòu)的聚苯胺(hPANI)有利于儲(chǔ)存聚硫鋰,有效減緩了聚硫鋰在充放電過程中溶解于電解液,提高了活性物質(zhì)的利用率。2.采用原位沉積法和原位聚合法合成了G/S/PANI復(fù)合材料。TG-DSC測(cè)試G/S/PANI復(fù)合材料的S含量為75.0 wt%。結(jié)合XRD、SEM表征結(jié)果,以G為載體沉積S顆粒尺寸明顯小于純硫。G/S/PANI復(fù)合材料0.1 C初始放電比容量為371.6 m Ah g-1,經(jīng)30次循環(huán)后放電比容量增加到756.8 m Ah g-1,并在隨后的循環(huán)過程中放電比容量趨于穩(wěn)定;第150次循環(huán)時(shí)的放電比容量為703.2 m Ah g-1;明顯高于同等條件的S和G/S復(fù)合材料。CV和EIS阻抗擬合結(jié)果表明,與S和G/S復(fù)合材料相比,G/S/PANI復(fù)合材料表現(xiàn)出更好的電化學(xué)性能,證實(shí)了G和PANI協(xié)同改善S的電化學(xué)性能。通過對(duì)比分析充放電循環(huán)前和經(jīng)30次充放電循環(huán)后的TEM,發(fā)現(xiàn)G/S/PANI復(fù)合材料中的S顆粒變成S膜,表明S在充放電循環(huán)過程中存在擴(kuò)散現(xiàn)象。S顆粒向S膜的轉(zhuǎn)化增大了S與G的接觸面積,從而改善復(fù)合材料的導(dǎo)電性和電化學(xué)性能。3.用原位沉積法和St?ber法制備G/S/SiO_2復(fù)合材料。G/S/SiO_2復(fù)合材料中,G和SiO_2的含量分別為4.0 wt%和4.0 wt%。G/S/SiO_2復(fù)合材料展現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性;150次循環(huán)后,G/S/SiO_2復(fù)合材料放電比容量為681.0 mAh g 1,庫倫效率高于95.0%,并表現(xiàn)出較好的倍率性能。G/S/SiO_2復(fù)合材料在前30次充放電循環(huán)過程中呈現(xiàn)比容量遞增現(xiàn)象,即活化過程;這與G/S/SiO_2復(fù)合材料的微觀形貌和電化學(xué)阻抗變化相一致:沉積在G上的S循環(huán)后由顆粒變?yōu)槟?其原因在于充放電過程中釋放出來的熱量、電化學(xué)轉(zhuǎn)變引起的S結(jié)構(gòu)坍塌和中間產(chǎn)物聚硫鋰的濃度擴(kuò)散使S在G表面分布更均勻;從電化學(xué)阻抗角度顯示G/S/SiO_2復(fù)合材料的導(dǎo)電性隨循環(huán)次數(shù)增加而逐漸增強(qiáng),并在后續(xù)的循環(huán)過程中趨于穩(wěn)定。
【關(guān)鍵詞】：鋰硫電池 聚硫鋰 石墨烯 聚苯胺 二氧化硅 活化機(jī)理
【學(xué)位授予單位】：中國計(jì)量學(xué)院
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TB332;TM912
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-16
• 1 緒論16-30
• 1.1 引言16-17
• 1.2 鋰硫電池17-18
• 1.2.1 鋰硫電池工作原理17
• 1.2.2 鋰硫電池存在的問題17-18
• 1.3 鋰硫電池正極材料的研究現(xiàn)狀18-25
• 1.3.1 硫/碳復(fù)合材料19-21
• 1.3.2 硫/導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料21-23
• 1.3.3 硫/氧化物復(fù)合材料23-25
• 1.4 鋰硫電池鋰負(fù)極研究現(xiàn)狀25-26
• 1.5 鋰硫電池新型電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)26-28
• 1.6 課題選題依據(jù)及研究內(nèi)容28-30
• 2 實(shí)驗(yàn)部分和表征手段30-34
• 2.1 實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)儀器30-31
• 2.1.1 實(shí)驗(yàn)材料30-31
• 2.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器31
• 2.2 電池制備31-32
• 2.2.1 漿料制備31
• 2.2.2 極片制備31-32
• 2.2.3 電池組裝32
• 2.3 材料表征測(cè)試32-33
• 2.3.1 X射線衍射 (XRD)表征32
• 2.3.2 掃描電鏡 (SEM)表征32-33
• 2.3.3 熱重-差示掃描量熱 (TG-DSC)分析33
• 2.3.4 透射掃描 (TEM)分析33
• 2.4 電化學(xué)測(cè)試33-34
• 2.4.1 恒流充放電測(cè)試33
• 2.4.2 循環(huán)伏安 (CV)測(cè)試33
• 2.4.3 電化學(xué)阻抗 (EIS)測(cè)試33-34
• 3 中空hPANI/S復(fù)合材料的制備及電化學(xué)性能研究34-44
• 3.1 引言34
• 3.2 實(shí)驗(yàn)制備34-35
• 3.3 hPANI/S復(fù)合材料的表征35-39
• 3.3.1 微觀結(jié)構(gòu)35-38
• 3.3.2 TG-DSC38-39
• 3.4 hPANI/S復(fù)合材料的電化學(xué)性能39-43
• 3.4.1 hPANI/S復(fù)合材料的循環(huán)性能39-40
• 3.4.2 hPANI/S復(fù)合材料的倍率性能40-41
• 3.4.3 hPANI/S復(fù)合材料的循環(huán)伏安特性41-42
• 3.4.4 hPANI/S復(fù)合材料的阻抗圖譜42-43
• 3.5 本章小結(jié)43-44
• 4 G/S/PANI復(fù)合材料的制備及電化學(xué)性能研究44-55
• 4.1 引言44
• 4.2 實(shí)驗(yàn)制備44-45
• 4.3 G/S/PANI復(fù)合材料的表征45-48
• 4.3.1 微觀結(jié)構(gòu)45-47
• 4.3.2 TG-DSC47-48
• 4.4 G/S/PANI復(fù)合材料的電化學(xué)性能48-52
• 4.4.1 G/S/PANI/復(fù)合材料的循環(huán)性能48-49
• 4.4.2 hPANI/S復(fù)合材料的倍率性能49-50
• 4.4.3 G/S/PANI復(fù)合材料的循環(huán)伏安特性50-51
• 4.4.4 G/S/PANI復(fù)合材料的阻抗圖譜51-52
• 4.5 循環(huán)后G/S復(fù)合材料的形貌分析52-53
• 4.6 本章小結(jié)53-55
• 5 SiO_2包覆G/S復(fù)合材料的電化學(xué)性能及活化機(jī)理研究55-65
• 5.1 引言55
• 5.2 實(shí)驗(yàn)制備55-56
• 5.3 G/S/SiO_2復(fù)合材料的電化學(xué)性能56-60
• 5.3.1 G/S/SiO_2復(fù)合材料的循環(huán)性能56
• 5.3.2 G/S/SiO_2復(fù)合材料的倍率性能56-57
• 5.3.3 G/S/SiO_2復(fù)合材料的循環(huán)伏安特性57-58
• 5.3.4 G/S/SiO_2復(fù)合材料的阻抗圖譜58-60
• 5.4 G/S/SiO_2復(fù)合材料的表征60-62
• 5.4.1 TG-DSC60
• 5.4.2 微觀結(jié)構(gòu)60-62
• 5.5 G/S/SiO_2復(fù)合材料的活化機(jī)理研究62-64
• 5.6 本章小結(jié)64-65
• 6 結(jié)論和展望65-67
• 6.1 結(jié)論65-66
• 6.2 展望66-67
• 參考文獻(xiàn)67-73
• 作者簡歷73-74

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