【摘要】：便攜式移動(dòng)設(shè)備、電動(dòng)汽車(chē)等的快速發(fā)展離不開(kāi)高能量密度、低成本的二次電池系統(tǒng)。鋰硫電池因其高理論比容量(1675 mA h g~(-1))和高比能量(2600 W h Kg~(-1)),有望成為鋰離子電池的代替者。但已有的問(wèn)題阻礙了商業(yè)化進(jìn)程,如硫和硫化鋰的絕緣性導(dǎo)致活性物質(zhì)硫的實(shí)際容量偏低;硫在脫鋰/嵌鋰的過(guò)程中,體積變化容易破壞材料結(jié)構(gòu);充放電中間產(chǎn)物溶解在電解液中,產(chǎn)生穿梭效應(yīng)并降低電池庫(kù)倫效率。如何改變這種狀況才是提升鋰硫電池的實(shí)際容量和循環(huán)性能的關(guān)鍵。本文考慮到碳纖維具有高比表面積,較高的電子導(dǎo)電性以及纖維網(wǎng)絡(luò)具有緩沖體積膨脹的優(yōu)勢(shì),通過(guò)靜電紡絲技術(shù)等得到多孔石墨化碳/硫復(fù)合納米纖維;并在多孔石墨化碳纖維表面生長(zhǎng)二硫化鉬并附硫,得到石墨化碳/二硫化鉬@硫復(fù)合纖維,以上材料均表現(xiàn)出優(yōu)異性能。本文工作如下:(1)具有3D結(jié)構(gòu)的多孔石墨化碳/硫復(fù)合纖維的制備及電化學(xué)性能研究。采用氧化鐵作為造孔劑和催化劑,PAN為碳源,通過(guò)靜電紡絲技術(shù)并對(duì)纖維退火、酸化處理,然后以一定比例和硫粉155℃熱處理,得到納米復(fù)合纖維。氧化鐵作為造孔劑,使幾納米級(jí)別的硫顆粒分散在多孔的復(fù)合纖維內(nèi),一方面防止硫顆粒團(tuán)聚,和碳纖維復(fù)合提高其導(dǎo)電性,一方面物理限制硫的反應(yīng)空間;作為催化劑,使孔隙周?chē)奶际?進(jìn)一步提高導(dǎo)電性。此復(fù)合纖維可作為獨(dú)立電極。在0.1C電流密度下其初始可逆容量高到1250 mA h g~(-1),1 C倍率下200次循環(huán)后比容量仍維持在720 mA h g~(-1),即使在2 C高充放電倍率下其可逆容量仍達(dá)670mA h g~(-1)。(2)石墨化碳/二硫化鉬@硫復(fù)合纖維的制備及電化學(xué)性能研究。我們?cè)谏厦嫣岬降亩嗫资祭w維表面生長(zhǎng)二硫化鉬并附硫,得到石墨化碳/二硫化鉬@硫復(fù)合纖維(G-CNFs@MoS_2/S)。鐵氧化合物被腐蝕后留下空間,有效地緩解充放電帶來(lái)的體積變化。MoS_2納米片作為充放電反應(yīng)位點(diǎn),有效地限制了中間產(chǎn)物多硫化物的擴(kuò)散,從而緩解了穿梭效應(yīng)。結(jié)果表明該材料表現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能。其初始比容量在0.1C電流密度下達(dá)1351 mA h g~(-1),0.1C下200次循環(huán)后比容量仍維持在910 mA h g~(-1),1C下500次循環(huán)后其可逆容量仍維持在524mA h g~(-1)。
【圖文】：

圖 1.1 鋰二次電池未來(lái)市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)圖[4]近年來(lái)，隨著鋰離子電池的能量密度與倍率性能的不斷發(fā)展，如圖1.1所示，越來(lái)越多的汽車(chē)企業(yè)將生產(chǎn)轉(zhuǎn)向以鋰離子電池為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力的新能源汽車(chē)領(lǐng)域。但是，現(xiàn)在的電動(dòng)汽車(chē)仍不能滿足人們對(duì)長(zhǎng)距離行駛與快速充放電的要求，而商業(yè)化以鎳鈷錳酸 Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2的三元材料能量密度已經(jīng)到達(dá)了瓶頸，再難有所突破。為了新能源汽車(chē)市場(chǎng)的穩(wěn)步發(fā)展，我們必須開(kāi)發(fā)新的具有更高能量密度的正極材料來(lái)滿足人們對(duì)電動(dòng)汽車(chē)長(zhǎng)續(xù)航、快速充放電的要求[2]。在眾多的正極材料中，單質(zhì)硫具有高的理論比容量（1675mAhg-1）和比能量（2600WhKg-1），因此鋰硫電池被認(rèn)為是最具應(yīng)用前景的儲(chǔ)能器件之一。1.2 鋰硫電池概述硫是一種非金屬元素，?

1.2 左上角，分子式量為 256。硫在地球上含量豐富，廣泛分布在地球巖石、土壤，以及火山噴發(fā)的沉積物等。硫無(wú)毒無(wú)害，但難溶于水，，易溶于二硫化碳。硫單是一種絕緣材料，，具有非常低的電導(dǎo)率（0.）。因此，為了發(fā)揮其高能量密度，實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的循環(huán)壽命，硫單質(zhì)不極材料，而是將其與導(dǎo)電骨架復(fù)合。由于常溫常壓下，硫單質(zhì)是固態(tài)與導(dǎo)電材料緊密復(fù)合，或者使硫單質(zhì)更好的滲透到納尺度下的多孔導(dǎo)通常要將硫與導(dǎo)電材料在密封下進(jìn)行熱處理，單質(zhì)硫在被加熱時(shí)，分度的升高而發(fā)生不同的變化。相關(guān)的研究表明，在 150℃-350℃的溫硫的黏度呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：溫度加熱到 160℃時(shí)，環(huán)狀 S8分子吸收熱量形成長(zhǎng)鏈，粘度逐漸升高，當(dāng)加熱到 190℃時(shí)，此時(shí)粘度達(dá)到最大。硫的長(zhǎng)鏈開(kāi)始斷裂，粘度隨之下降；155℃時(shí)，硫的粘度最小。因此選用 155 ℃熱處理密封下的硫復(fù)合材料。鋰硫電池不同于傳統(tǒng)的嵌入與脫嵌、插入與脫插模式的鋰離子二次通過(guò)正極單質(zhì)硫和負(fù)極鋰之間的化學(xué)能來(lái)儲(chǔ)存/釋放電能，鋰硫電池是活性硫，負(fù)極材料是金屬鋰片，如圖 1.2 所示[5]。充放電機(jī)理包含
【學(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TB332;TM912

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本文編號(hào)：2594626