本文關(guān)鍵詞：高性能鋰硫動(dòng)力電池正極材料的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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【摘要】：單質(zhì)硫作為鋰硫正極材料具有高的理論比容量以及理論能量密度,另外硫單質(zhì)安全、資源豐富、相對(duì)便宜,因此應(yīng)用潛力較大。但是由于單質(zhì)硫以及硫化鋰的電子絕緣性、放電過程中多硫化鋰溶解導(dǎo)致的“穿梭效應(yīng)”以及充放電過程中的正極材料體積膨脹導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞,使得鋰硫電池在實(shí)際應(yīng)用中受到極大限制。對(duì)于上述問題,在低的放電倍率下,國內(nèi)外研究人員進(jìn)行了大量的報(bào)導(dǎo)并取得-定的進(jìn)展。例如將硫封裝在介孔中空碳、微孔碳球等碳材料中能夠有效抑制多硫化物的溶解并減緩穿梭效應(yīng)。這些碳材料由于具有較大的比表面積、良好的導(dǎo)電性能,因此,通常在低放電倍率(0.5 C)下,這些正極材料具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性能。但是,在高倍率下正極材料通常衰減比較嚴(yán)重。目前鋰硫體系在高比功率下的充放電循環(huán)性能的研究工作報(bào)道目前尚較少。不難發(fā)現(xiàn),若要設(shè)計(jì)出具有高倍率穩(wěn)定性的正極材料,既需要將硫顆粒包覆易抑制多硫化鋰的溶解,又需要正極材料提供足夠多的鋰離子傳輸通道而縮短鋰離子的傳輸路徑,前者需要該包覆材料是良好的電子導(dǎo)電體,后者需要該包覆材料是良好的離子導(dǎo)電體,因此尋找一種同時(shí)具有良好的電子與離子導(dǎo)電體的包覆材料是獲得高倍率穩(wěn)定性正極材料的關(guān)鍵�；诖�,本實(shí)驗(yàn)考慮將碳納米管活化制備多孔碳納米管(h-CNT),之后將硫灌入其中,制得多孔多壁碳/硫(h-CNT/S),并采用適量的二氧化鋯對(duì)h-CNT/S進(jìn)行定向修飾,制得正極材料h-CNT/S/ZrO2。多孔碳納米管本身同時(shí)具有良好的電子與離子導(dǎo)電性,有利于提高硫的利用率,同時(shí)利用碳管上面的親水性官能團(tuán),采用ZrO2對(duì)h-CNT/S的孔口進(jìn)行定向修飾,在高效抑制多硫化鋰溶解的同時(shí)保持相對(duì)高的比能量密度,最終獲得具有高倍率穩(wěn)定性的正極材料。具體的研究內(nèi)容與主要結(jié)論如下：1)采用氫氧化鉀(KOH)對(duì)原始的多壁碳納米管(o-CNT)進(jìn)行活化并灌硫,制得了多孔多壁碳/硫復(fù)合材料(h-CNT/S)。與原始的多壁碳納米管(o-CNT)相比較,多孔多壁碳具有大的比表面積以及豐富的鋰離子傳輸介孔通道,因此h-CNT/S表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能。在0.2 C至3C的放電倍率區(qū)間,h-CNT/S的容量比o-CNT/S平均高出約300-400 mAh·g-1。在3 C的放電倍率下,h-CNT/S的容量為679mAh·g-1,而o-CNT/S僅僅為268 mAh.g-1。h-CNT/S在6C仍然具有424 mAh·g-1的容量。與此同時(shí),由于h-CNT豐富的介孔結(jié)構(gòu),使得多硫化鋰易于從孔口溢出,加速了多硫化鋰的溶解過程,致使h-CNT/S的循環(huán)性能相對(duì)不穩(wěn)定。在0.5 C的放電倍率下,h-CNT/S與o-CNT/S的初始容量分別為1189 mAh·g-1以及712mAh·g-1,在200圈后的容量保有率分別為47.0%與54.3%。因此,由于h-CNT能夠提供更多的電化學(xué)反應(yīng)通道,有利于鋰離子的高效傳輸,增大電化學(xué)反應(yīng)速率,使得h-CNT/S的倍率性能顯著提升。但與此同時(shí)也使得多硫化鋰的快速溶解,h-CNT/S表現(xiàn)出相對(duì)循環(huán)的不穩(wěn)定性。2)在高的放電倍率下,通過適量的Zr02對(duì)h-CNT/S進(jìn)行修飾,由具有豐富電化學(xué)反應(yīng)通道的h-CNT,硫以及二氧化鋯設(shè)計(jì)而成的鋰硫電池正極材料(h-CNT/S/ZrO2)表現(xiàn)出了高的能量密度以及優(yōu)異的循環(huán)性能。多壁碳的半封閉以及豐富的介孔特征不僅僅提供豐富的鋰離子嵌入脫出通道,而且能夠承受放電過程中正極材料的體積膨脹。采用合適含量二氧化鋯對(duì)h-CNT/S的介孔處進(jìn)行定向修飾,使得具有豐富介孔結(jié)構(gòu)的多孔多壁碳僅僅能允許鋰離子嵌入脫出但阻礙多硫化物的通過,這樣鋰離子能夠高效的傳輸,而多硫化物被束縛在管內(nèi)。相對(duì)活化的多壁碳/硫正極材料(h-CNT/S)而言,這種結(jié)構(gòu)的正極材料的倍率性能以及循環(huán)性能均有顯著提高。在硫含量為46 wt%,h-CNT/S/ZrO2復(fù)合材料在0.5 C時(shí)的初始容量為1138 mAh·g-1,循環(huán)200圈時(shí),容量為879 mAh·g-1。在10 C的高倍率下,該正極材料在放電循環(huán)200圈的平均容量仍為870 mAh·g-1。我們的方法對(duì)于發(fā)展高功率密度與能量密度、低成本、高可靠性、工藝簡單的鋰硫電池的正極材料提供一種可行的選擇方案。
【關(guān)鍵詞】：鋰硫電池 高倍率性能 二氧化鋯 選擇透過性
【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TB332;TM912
【目錄】：

• 作者簡歷7-8
• 摘要8-10
• ABSTRACT10-15
• 第一章 緒論15-32
• 1.1 引言15
• 1.2 鋰硫電池簡介15-18
• 1.2.1 鋰硫主要原理15-17
• 1.2.2 鋰硫主要問題17-18
• 1.3 鋰硫電池正極材料的研究進(jìn)展18-30
• 1.3.1 硫活性材料18-25
• 1.3.2 粘結(jié)劑25-26
• 1.3.3 電解液26-29
• 1.3.4 鋰負(fù)極29
• 1.3.5 隔膜29
• 1.3.6 集流體29-30
• 1.4 論文選題依據(jù)及主要研究內(nèi)容30-31
• 1.4.1 論文選題依據(jù)30-31
• 1.4.2 論文的主要研究內(nèi)容31
• 1.4.3 擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題31
• 1.5 預(yù)期結(jié)果31-32
• 第二章 實(shí)驗(yàn)方法與原理32-37
• 2.1 化學(xué)試劑32
• 2.2 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備32-33
• 2.3 正極材料的表征方法33-35
• 2.3.1 氮?dú)馕摳綔y試儀33
• 2.3.2 熱重測試33
• 2.3.3 X射線衍射儀33
• 2.3.4 傅里葉變換紅外光譜測試33-34
• 2.3.5 掃描電子顯微鏡(SEM)34
• 2.3.6 透射電子顯微鏡(TEM)34
• 2.3.7 恒電流沖放電測試34
• 2.3.8 循環(huán)伏安測試34
• 2.3.9 交流阻抗分析34-35
• 2.4 電化學(xué)性能研究35-37
• 第三章 多孔碳硫復(fù)合正極材料的制備37-48
• 3.1 復(fù)合正極材料的制備37
• 3.1.1 多孔多壁碳納米管的制備37
• 3.1.2 多孔碳納米管/硫(h-CNT/S)復(fù)合材料的制備37
• 3.2 結(jié)果與討論37-47
• 3.2.1 多孔碳/硫合成示意圖37
• 3.2.2 表征與性能測試37-47
• 3.3 本章小節(jié)47-48
• 第四章 h-CNT/S/ZrO_2復(fù)合材料應(yīng)用于鋰硫電池48-60
• 4.1 引言48-49
• 4.2 復(fù)合材料的制備49-58
• 4.2.1 制備步驟49
• 4.2.2 復(fù)合材料合成示意圖49-50
• 4.2.3 復(fù)合材料的表征50-54
• 4.2.4 復(fù)合材料的電化學(xué)性能測試54-58
• 4.3 本章小節(jié)58-60
• 第五章 總結(jié)60-62
• 致謝62-64
• 參考文獻(xiàn)64-75

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本文編號(hào)：536460