【摘要】：隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步,傳統(tǒng)的鋰離子電池因其有限的理論能量密度和高的成本已難以滿足大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)及電動(dòng)裝置對(duì)能源日益增長(zhǎng)的需求�；诙嚯娮友趸�原轉(zhuǎn)化反應(yīng)機(jī)理的鋰硫電池(Li-S)因具備更高的理論比容量(1675 mA h g~(-1))和比能量(2500 Wh kg~(-1)),被公認(rèn)為是最有潛力的新一代鋰離子二次電池。此外,硫還具有在自然界儲(chǔ)量豐富、價(jià)廉、無(wú)毒無(wú)污染等特點(diǎn)。然而Li-S電池的實(shí)際應(yīng)用仍遭受著諸多限制。硫正極材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是改善鋰硫電池電化學(xué)性能的常用技術(shù)手段。其中,中空納米結(jié)構(gòu)的硫主體因具備大的內(nèi)部空間不僅能提高硫的載量,還能有效的緩解體積膨脹,同時(shí)也能物理限域多硫離子而備受關(guān)注;極性過(guò)渡金屬硫化物作為硫主體對(duì)多硫離子有強(qiáng)的化學(xué)吸附且能催化其轉(zhuǎn)化在Li-S電池中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)日益顯現(xiàn)。本文首先探究了Ni、Co原子共摻雜的MoS_2超薄納米片構(gòu)筑的納米中空立方盒(Ni-Co-MoS_2-HCBs)的可控合成,并通過(guò)熔融擴(kuò)散負(fù)載活性物質(zhì)硫得到S/Ni-Co-MoS_2研究其對(duì)Li-S電池電化學(xué)性能的影響。其次,利用ZIF-67為自模板原位制備了硫化鈷(CoS)中空多面體,并在其表面生長(zhǎng)二硫化鉬(MoS_2)超薄納米片,最終制備了雙層硫化物的中空納米多面體(CoS@MoS_2-HPDs),且通過(guò)熔融擴(kuò)散結(jié)合氣相載硫的方法負(fù)載硫得到的S/CoS@MoS_2作為正極應(yīng)用于Li-S電池。兩種主體材料的制備皆為簡(jiǎn)單的溶劑熱反應(yīng)過(guò)程,無(wú)需后續(xù)的高溫焙燒處理,節(jié)省了能耗和時(shí)間。本論文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論總結(jié)如下:(1)以普魯士藍(lán)類似物(Ni-Co-PBA)為自模板,制備一種Ni、Co原子共摻雜的MoS_2超薄納米片構(gòu)筑的納米中空立方盒(Ni-Co-MoS_2-HCBs),及不使用模板合成二硫化鉬納米片(MoS_2-NSs)。然后,利用傳統(tǒng)的熔融擴(kuò)散方法并做表面吹掃的載硫方法制備了復(fù)合硫正極材料(S/Ni-Co-MoS_2),并研究其在鋰硫電池中的應(yīng)用。結(jié)果表明,Ni-Co-MoS_2-HCBs比MoS_2-NSs對(duì)多硫離子有更強(qiáng)的吸附能力,在相近的硫負(fù)載量下,CV和充放電測(cè)試結(jié)果均表明S/Ni-Co-MoS_2比S/MoS_2有更小的電化學(xué)極化,更快的反應(yīng)動(dòng)力學(xué),主要?dú)w功于極性的Ni,Co原子摻雜的MoS_2化學(xué)吸附多硫離子以及中空納米盒空間限域多硫離子的雙重作用。(2)利用柯肯達(dá)爾效應(yīng)犧牲自模板ZIF-67的方法原位制備了硫化鈷(CoS)中空多面體,隨后,在其表面生長(zhǎng)二硫化鉬(MoS_2)超薄納米片,從而合成了CoS@MoS_2雙層硫化物的中空納米多面體。而后,探究了不同的載硫方法,以優(yōu)選出最好的載硫條件即熔融擴(kuò)散后氣相載硫的方式負(fù)載活性物質(zhì)硫得S/CoS@MoS_2,并將其用作正極測(cè)試鋰硫電池的電化學(xué)性能。結(jié)果表明,在0.1 C下,首次放電比容量為995.1 mAh g~(-1),100個(gè)循環(huán)內(nèi)的庫(kù)倫效率99%,0.5 C下的首次放電比容量為567.9 mAh g~(-1),200個(gè)循環(huán)后,其放電比容量保持為392.2 mAh g~(-1),容量的保持率為69%,平均每圈的容量衰減率為0.15%,庫(kù)倫效率在100%左右,較低的平均每圈的容量衰減率和高的庫(kù)倫效率表明S/CoS@MoS_2較好的循環(huán)穩(wěn)定性。這主要是得益于雙層極性硫化物協(xié)同作用于極性多硫離子,以及中空納米結(jié)構(gòu)對(duì)其物理限域的多重作用。
【圖文】：

圖 1.1 鋰硫電池和鋰離子電池的能量密度分布柱狀圖[1]鋰-硫電池（Li-S）就是一種很有前景的儲(chǔ)能技術(shù)，，有望替代傳統(tǒng)鋰離子電池成高能儲(chǔ)能系統(tǒng)。它具有遠(yuǎn)高于目前鋰離子電池的能量密度[11-15]，約是其 5 倍。式的電池之間的最大的不同是它們的能量存儲(chǔ)機(jī)制（工作原理）不一樣。鋰離

圖 1.2 鋰硫電池的工作原理與基本電化學(xué)特征[26]） 基于嵌入反應(yīng)(左) 的鋰離子電池和轉(zhuǎn)換反應(yīng)(右)的鋰硫電池（b）不同狀態(tài)下不同硫含量樣品的理想充放電曲線[21]；（c） 多硫離子的溶解和穿梭效應(yīng)[25]
【學(xué)位授予單位】：濟(jì)南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TM912;TB383.1

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本文編號(hào)：2664423