本文關(guān)鍵詞：鋰硫電池硫基正極材料與電解液研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《中南大學(xué)》 2014年

鋰硫電池硫基正極材料與電解液研究

袁艷  

【摘要】：摘要：鋰硫電池由于具有能量密度高、原料來(lái)源豐富、成本低廉、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì),成為極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦投坞姵伢w系之一,有望在便攜式電子通信、儲(chǔ)能裝備和電動(dòng)汽車(chē)等高能量密度需求領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛應(yīng)用。然而,受限于當(dāng)前技術(shù)水平、自身儲(chǔ)能方式和材料性能缺陷,鋰硫電池仍然存在著活性材料利用率低、循環(huán)壽命差、倍率性能差、白放電高等不足,這嚴(yán)重制約了其下一步的發(fā)展。 針對(duì)鋰硫電池存在的上述問(wèn)題,本論文以提升電池綜合性能、揭示內(nèi)部失效機(jī)制為主要目的,從電極材料和電解液兩個(gè)方面開(kāi)展了研究工作。論文研究了有機(jī)溶劑的加入對(duì)離子液體基電解液各項(xiàng)性能指標(biāo)的影響,優(yōu)化了三元電解液體系組分,考察了其在鋰硫電池上應(yīng)用的可行性；合理選擇了液相沉積法的制備工藝,研究了所制備的納米硫與硫／納米炭黑復(fù)合材料在三元電解液中的性能,分析了硫與納米炭黑的不同結(jié)合方式引起的不同性能表現(xiàn)；研究了不同制備條件下硫／中空碳纖維復(fù)合材料的組成、結(jié)構(gòu)形貌與電化學(xué)性能之間的關(guān)系,分析了中空碳纖維對(duì)電池性能的改善作用；研究了不同種類(lèi)電解液添加劑對(duì)電池性能的影響,探討了添加劑對(duì)穿梭效應(yīng)的抑制行為與相關(guān)機(jī)理。得到的主要研究結(jié)論如下： (1) PEGDME的加入在一定程度上降低了PYR14TFSI基電解液的熱穩(wěn)定性,但有利于提高電解液的導(dǎo)電性、降低體系粘度、保障電極反應(yīng)活性與可逆性,且PEGDME含量越高,作用效果越明顯。優(yōu)化含量下的LiTFSI+PYR14TFSI+PEGDME三元電解液在常溫下的離子電導(dǎo)率可達(dá)4.4×10-3S/cm,穩(wěn)定電位窗口為0～4.1V(vs.Li+Li),且與金屬鋰電極的相容性良好,能夠保證電池在長(zhǎng)期循環(huán)過(guò)程中的電化學(xué)穩(wěn)定性,尤其是在適度高溫的環(huán)境下,因此適合在鋰硫電池中應(yīng)用。 (2)液相沉積法在合適工藝條件下可制備出粒徑在100nm以內(nèi)、尺寸較為均一且分散性良好的類(lèi)球形納米硫材料,其在三元電解液中0.02C首次放電比容量達(dá)到1050mAh/g,循環(huán)期間庫(kù)侖效率接近100%,但容量衰減較快。通過(guò)液相沉積法制備的硫／納米炭黑復(fù)合材料,實(shí)現(xiàn)了硫碳的均勻分布和緊密接觸,其0.02C首次放電比容量高達(dá)1200mAh/g,經(jīng)50次充放電循環(huán)后,容量仍保持有700mAh/g,相比單質(zhì)納米硫,復(fù)合材料增強(qiáng)了電極的導(dǎo)電性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,提高了活性材料的利用率,改善了電池的循環(huán)性能。 (3)高溫處理法制備硫／中空碳纖維復(fù)合材料容易產(chǎn)生較為嚴(yán)重的團(tuán)聚結(jié)塊,硫碳分布不均勻。液相沉積法可以保證硫碳的良好分散和較小尺寸的硫顆粒,適中載硫量下硫碳接觸緊密、結(jié)合力強(qiáng),部分硫顆�？汕度胫撂祭w維的中空通道內(nèi),材料0.1C首次放電比容量達(dá)到1165mAh/g,經(jīng)充放電循環(huán)40次后,容量仍維持有520mAh/g,基于第二次放電的容量保持率達(dá)到75.7%,且高倍率循環(huán)穩(wěn)定性良好。中空碳纖維構(gòu)建的富孔、高導(dǎo)、穩(wěn)定的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),促進(jìn)了電荷/離子的快速傳遞,實(shí)現(xiàn)了更多的活性物質(zhì)裝載,增強(qiáng)了電極與電解液的界面接觸,減少了不溶產(chǎn)物沉積導(dǎo)致的活性物質(zhì)損失,抑制了硫體積的反復(fù)變化對(duì)電極的破壞,因而綜合提高了復(fù)合材料的容量發(fā)揮、循環(huán)性能和倍率性能。 (4)穿梭效應(yīng)在充電過(guò)程表現(xiàn)尤為顯著,充電曲線的高電位平臺(tái)容量與穿梭效應(yīng)密切相關(guān),此時(shí)多硫化物存在著氧化和還原反應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程。LiNO3通過(guò)自身消耗參與負(fù)極成膜反應(yīng),改變了金屬鋰界面的組分狀態(tài),增強(qiáng)了負(fù)極表面SEI膜的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,因而有效阻斷了多硫化物與負(fù)極鋰的接觸和反應(yīng),抑制了穿梭效應(yīng),合適添加量下電池0.1C首次放電比容量達(dá)到1135mAh/g,經(jīng)40次循環(huán)后保持有580mAh/g,循環(huán)期間庫(kù)侖效率始終接近100%,因此對(duì)電池過(guò)充的限制和對(duì)性能的改善作用比較明顯。而PYR14TFSI由于具有多硫化物溶解度低、粘度高等特性,對(duì)多硫化物在電解液中的溶解和擴(kuò)散同時(shí)起到了限制作用,進(jìn)而對(duì)穿梭效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了抑制,但整體作用效果相比LiNO3有一定的差距。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：中南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：TM912
【目錄】：

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