本文關(guān)鍵詞：高性能多孔硫復(fù)合正極材料的制備及性能研究

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【摘要】：鋰硫電池由于具有超高的能量密度(2600 Wh/kg)和豐富的原材料等一系列優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。然而,要實(shí)現(xiàn)鋰硫電池的商業(yè)化,尚需解決容量衰減過快、活性物質(zhì)利用率低以及安全性能差等諸多問題。解決這些問題最常用的方法是用碳材料和導(dǎo)電聚合物包覆硫,以達(dá)到抑制穿梭效應(yīng)的作用。本文以碳材料、導(dǎo)電聚合物和金屬氧化物在鋰硫電池中的應(yīng)用為背景,設(shè)計(jì)了不同結(jié)構(gòu)形貌的鋰硫電池正極材料,本文主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)論如下：(1)有序介孔碳/硫復(fù)合正極材料的制備及其石墨烯的包覆研究。以有序介孔碳(CMK-3)為導(dǎo)電骨架,制備了介孔碳/硫(CMK-3/S)復(fù)合正極材料,并通過介孔碳表面的功能化和橋聯(lián)劑的輔助作用,實(shí)現(xiàn)了石墨烯對(duì)介孔碳/硫復(fù)合材料的可控包覆。在這種獨(dú)特地雙層碳結(jié)構(gòu)中,介孔碳豐富的孔結(jié)構(gòu)和石墨烯包覆層可以抑制多硫化物的溶出和改善硫納米顆粒的導(dǎo)電率。電化學(xué)性能測(cè)試表明,單純的介孔碳對(duì)多硫化物的抑制作用是有限的,不能有效的抑制穿梭效應(yīng)的發(fā)生。石墨烯的包覆能提高復(fù)合材料的電化學(xué)性能,且隨著包覆效果的提高,復(fù)合材料的電化學(xué)性能越好。掃描電鏡和透射電鏡測(cè)試表明,在賴氨酸存在的條件下,石墨烯能均勻而緊密的包覆在介孔碳/硫顆粒的表面(RGO@CMK-3/S-L)。因此,復(fù)合材料RGO@CMK-3/S-L具有最好的電化學(xué)性能,0.5 C時(shí)經(jīng)過100次循環(huán)后,比容量仍高達(dá)720 mAh g-1,且2 C時(shí)的倍率容量為660 mAh g-1。(2)多孔聚苯胺/硫復(fù)合正極材料的研究。以SBA-15為模板,制備了介孔聚苯胺(M-PANI/S)導(dǎo)電載體,與硫復(fù)合后,獲得了高性能的聚苯胺/硫復(fù)合正極材料。在這種復(fù)合材料體系中,具有良好鋰離子電導(dǎo)率的介孔聚苯胺,可以通過較強(qiáng)的化學(xué)相互作用力和物理吸附效應(yīng)來有效地抑制多硫化物的穿梭效應(yīng),從而顯著的改善了鋰硫電池的電化學(xué)性能。研究表明,M-PANI/S具有優(yōu)異的電化學(xué)性能,在2C時(shí)倍率容量高達(dá)600 mAh g-1,1 C時(shí)的首次放電比容量為928 mAh g-1,經(jīng)過400次循環(huán)后的比容量仍保持在517.3 mAhg-1.(3) TiO2/S復(fù)合材料的制備及其石墨烯的包覆研究。以納米碳酸鈣為模板,合成中空二氧化鈦納米球載體,負(fù)載硫后,制備了納米S/TiO2復(fù)合正極材料。在此基礎(chǔ)上,考察了二氧化鈦的燒結(jié)溫度對(duì)正極材料電化學(xué)性能的影響。電化學(xué)性能測(cè)試表明,二氧化鈦的燒結(jié)溫度為500℃時(shí),S/TiO2復(fù)合正極材料具有最優(yōu)越的電化學(xué)性能,其在2C時(shí)的倍率容量為550 mAh g-1,而1C的電流密度下,首次放電比容量為852.6 mAh g-1,經(jīng)過100次循環(huán)后,比容量仍保持在399.6 mAh g-1左右。在優(yōu)化燒結(jié)溫度后,以500℃燒結(jié)的二氧化鈦負(fù)載硫,然后在以石墨烯進(jìn)行包覆處理(G-TiO2@S),可進(jìn)一步的改善復(fù)合材料的電化學(xué)性能。結(jié)果表明,復(fù)合材料G-TiI2@S在1C的電流密度下,首次放電比容量為872.8 mAh g-1,經(jīng)過200次循環(huán)后,比容量仍高達(dá)555.8 mAh g-1。
【關(guān)鍵詞】：鋰硫電池 正極材料 多孔結(jié)構(gòu) 介孔碳 石墨烯 聚苯胺 二氧化鈦
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(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】：

• 摘要5-7
• Abstract7-16
• 第1章 緒論16-32
• 1.1 引言16
• 1.2 鋰離子電池概述16-18
• 1.3 鋰硫電池概述18-22
• 1.3.1 鋰硫電池工作原理19-20
• 1.3.2 影響鋰硫電池性能的因素20-22
• 1.4 鋰硫電池正極材料的研究進(jìn)展22-27
• 1.4.1 硫/碳復(fù)合正極材料22-25
• 1.4.2 硫/導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料25-26
• 1.4.3 硫/金屬氧化物復(fù)合材料26-27
• 1.5 鋰硫電池負(fù)極材料的研究進(jìn)展27
• 1.6 電解液的研究進(jìn)展27-30
• 1.6.1 液態(tài)電解質(zhì)28-29
• 1.6.2 固態(tài)電解質(zhì)29-30
• 1.7 本課題研究的意義及內(nèi)容30-32
• 第2章 實(shí)驗(yàn)方法32-38
• 2.1 實(shí)驗(yàn)材料32-33
• 2.2 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備33
• 2.3 電極的制備及電池的組裝33-35
• 2.3.1 漿料的調(diào)制33-34
• 2.3.2 正極片的制備34
• 2.3.3 電池組裝34-35
• 2.4 材料結(jié)構(gòu)測(cè)試及表征方法35-36
• 2.4.1 X射線衍射35
• 2.4.2 掃描電子顯微鏡35
• 2.4.3 透射電子顯微鏡35
• 2.4.4 比表面及孔徑分析儀35
• 2.4.5 熱重分析35
• 2.4.6 傅里葉變換紅外光譜35-36
• 2.4.7 紫外吸收光譜36
• 2.4.8 X-射線光電子能譜36
• 2.5 電化學(xué)性能表征36-38
• 2.5.1 充放電測(cè)試36
• 2.5.2 交流阻抗測(cè)試36
• 2.5.3 循環(huán)伏安測(cè)試36-38
• 第3章 有序介孔碳/硫復(fù)合正極材料的制備及其石墨烯的包覆研究38-59
• 3.1 引言38-39
• 3.2 實(shí)驗(yàn)方法39-40
• 3.2.1 氧化石墨烯的制備39
• 3.2.2 SBA-15的制備39
• 3.2.3 CMK-3的制備及表面修飾39-40
• 3.2.4 硫/碳復(fù)合正極材料的制備40
• 3.3 氧化石墨烯的掃描電鏡分析40-41
• 3.4 SBA-15的結(jié)構(gòu)分析41-43
• 3.5 酸堿性環(huán)境對(duì)氧化石墨烯包覆效果的影響43-44
• 3.6 橋聯(lián)劑對(duì)氧化石墨烯包覆效果的影響44-57
• 3.6.1 結(jié)構(gòu)與形貌分析44-49
• 3.6.2 電化學(xué)性能分析49-57
• 3.7 本章小結(jié)57-59
• 第4章 多孔聚苯胺/硫復(fù)合正極材料的研究59-74
• 4.1 引言59
• 4.2 實(shí)驗(yàn)方法59-60
• 4.2.1 M-PANI的制備59-60
• 4.2.2 M-PANI/S的制備60
• 4.3 聚合時(shí)間對(duì)聚苯胺形貌的影響60-65
• 4.3.1 掃描電鏡分析60-62
• 4.3.2 透射電鏡分析62-65
• 4.4 M-PANI/S的結(jié)構(gòu)與性能研究65-73
• 4.4.1 結(jié)構(gòu)與形貌分析65-66
• 4.4.2 電化學(xué)性能分析66-73
• 4.5 本章小結(jié)73-74
• 第5章 TiO_2/S復(fù)合材料的制備及其石墨烯的包覆研究74-96
• 5.1 引言74
• 5.2 實(shí)驗(yàn)過程74-75
• 5.2.1 S/TiO_2復(fù)合材料的制備74-75
• 5.2.2 G-TiO_2@S的制備75
• 5.3 燒結(jié)溫度對(duì)S/TiO_2復(fù)合材料的影響75-85
• 5.3.1 結(jié)構(gòu)和形貌表征76-79
• 5.3.2 電化學(xué)性能分析79-85
• 5.4 石墨烯包覆對(duì)TiO_2/S復(fù)合材料的影響85-94
• 5.4.1 結(jié)構(gòu)和形貌表征85-87
• 5.4.2 電化學(xué)性能分析87-94
• 5.5 本章小結(jié)94-96
• 第6章 結(jié)論與展望96-98
• 6.1 論文主要結(jié)論96-97
• 6.2 展望97-98
• 參考文獻(xiàn)98-109
• 附錄A 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文目錄109-110
• 致謝110

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本文編號(hào)：879318