單質(zhì)硫在所有固體正極材料中具有最高的理論比容量(1675 mA h g~(-1)),是商業(yè)化的鋰離子電池正極材料的10倍左右,并且硫在自然界儲量豐富,來源廣泛,是一種無毒無害,安全廉價的材料;當與金屬鋰負極組成鋰硫電池時,具有高達2600 W h Kg~(-1)的理論能量密度,是傳統(tǒng)鋰離子電池的5倍多,在眾多新型儲能體系中具有非常大的應用潛力。但是在實際的研究中,鋰硫電池存在的以下問題限制了其在工業(yè)化生產(chǎn)中的應用;(1)硫的電子絕緣性——單質(zhì)硫是一種電子絕緣體,其電子電導率低至5×10~(-30) S cm~(-1),導致硫正極的活性物質(zhì)利用率低;(2)多硫化鋰的溶解——正極電化學反應形成的中間體多聚多硫化鋰容易溶解在有機電解液中并遷移至負極與鋰反應,降低電池充放電效率;(3)體積應變——電池循環(huán)時體積反復的膨脹與收縮使電極結(jié)構遭到破壞,造成不可逆的容量損失。此外,有機電解液本身易燃易揮發(fā),在發(fā)生短路、漏液、過充、熱失控等情況下可能會引起電池燃燒甚至爆炸的危險,造成嚴重的安全事故。本文針對以上問題,設計了同主族元素Se/Te摻雜改性的硫化聚丙烯腈(S@pPAN)正極材料,組裝全固態(tài)電池;結(jié)果表明,Se/Te的摻雜能夠提高材料的電子電導率與鋰離子擴散系數(shù),相同條件下,Se_(0.05)S_(0.95)@pPAN的電導率從6.74×10~(-9) S cm~(-1),S@pPAN的電子電導率為3.49×10~(-9) S cm~(-1)同時貢獻容量;在0.38 mg cm~(-2)的硫載量下,Se_(0.05)S_(0.95)@pPAN正極在0.1C下容量達到1200 mA h g~(-1);當載量為1 mg cm~(-2)時,正極容量大于800 mA h g~(-1),并且在150次循環(huán)后保持81%的初始容量。此外,還研究了通過正極材料表面修飾來改善電極-電解質(zhì)界面,在電極表面包覆一層固態(tài)鋰快離子導體后,電池倍率、循環(huán)穩(wěn)定性顯著提高,在1C倍率下具有超過600 mA h g~(-1)的容量。
【學位單位】：華中科技大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TM912;TB302
【部分圖文】：

電池概述展世紀 60 年代被提出并開始研究，正負極分別具有很高的理論比容量(Li-3860 mAh g-1, SWh kg-1)，遠遠高于當下商業(yè)化的鋰離子電使到了 20 世紀 80 年代，鋰硫電池在性能上ony 公司開發(fā)的石墨負極材料首次用在鋰二開發(fā)的 LiCoO2成功實現(xiàn)了鋰離子電池在便入到了鋰離子電池的開發(fā)中，鋰硫電池的研現(xiàn)到現(xiàn)在經(jīng)過 20 多年的發(fā)展后，能量密度尋找其他的儲能手段來突破能量密度上的局的有機硫聚合物正極的使用[8, 9]，到有機電

發(fā)現(xiàn)自 2009 開始，關于鋰硫電池的研究報道急速增長，成為之一。隨著研究的深入，鋰硫電池的性能得到很大的提高，通過調(diào)各種碳材料及碳硫復合物、粘結(jié)劑以及電解液添加劑等方法，在低電容量已經(jīng)能夠接近理論容量。美國 Sion Power 公司以及鋰硫電ergy 認為將來鋰硫電池實際能量密度將達到 400-600 Wh kg-1，能夠 500 公里的連續(xù)行駛里程[19]。硫電池的工作原理電池的結(jié)構包括正極、負極、電解液和隔膜。正極主要由單質(zhì)硫或負極使用金屬鋰，電解液通常使用醚類電解液(DME+DOL1:1V/V)E 或其他高分子聚合物材料。鋰硫電池的充放電過程與鋰離子電池不參與反應的電化學過程，能量的存儲與釋放通過S-S 鍵的生成與斷裂的充放電電壓曲線如圖 1.2 所示。

ummmer 等提出將 Na 快離子導體 β-Al2O3用在 Na-S 電池當中[27]�，F(xiàn)在，固態(tài)電取得了長足的發(fā)展，多種室溫下高離子電導率的固態(tài)快離子導體相繼報道出來，導率已經(jīng)與有機電解液相媲美。用固態(tài)電解質(zhì)取代有機電解液可以完美解決多硫溶解的問題，而且避免有機電解液帶來的安全問題。在負極側(cè)，固態(tài)電解質(zhì)較高械強度能夠抑制金屬鋰的枝晶生長，并且，固態(tài)電解質(zhì)中只有陽離子的遷移，其遷移系數(shù)≈1，有利于鋰離子在金屬鋰表面的均勻沉積。已報道的多種氧化物以化物固態(tài)電解質(zhì)表現(xiàn)出較強的電化學穩(wěn)定性，寬的電化學窗口，可以匹配金屬鋰以及高電壓正極材料，為高能量密度電池體系提供一種選擇方案。全固態(tài)鋰硫電池的反應機理與相應的使用有機溶劑的液態(tài)體系是相似的；結(jié)構態(tài)電池中，電解質(zhì)在傳輸離子的同時將正負極隔開，充當液態(tài)體系中的隔膜組液態(tài)與固態(tài)體系中的基本結(jié)構如圖 1.3 所示。典型的體型全固態(tài)鋰硫電池主要分
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本文編號：2870839