發(fā)布時間：2020-11-09 04:36

　　 隨著新一代電子產(chǎn)品的快速發(fā)展、傳統(tǒng)的鋰離子電池已經(jīng)越來越難以滿足目前對于高比能量電池的需求,因此開發(fā)高比能量的商業(yè)化電池體系成為當(dāng)今研究的重點(diǎn)。鋰硫電池是以硫做正極,金屬鋰做負(fù)極的電池體系,其理論比能量為2600 Wh/kg,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)在商業(yè)上廣泛使用的三元鋰離子電池材料和磷酸鐵鋰電池材料的比能量。目前鋰硫電池存在循環(huán)性能差、活性物質(zhì)利用率不高、倍率性能不好、有安全隱患等諸多問題。要解決上述問題,必須提高電極材料的導(dǎo)電性能、防止多硫化合物的溶解和擴(kuò)散、合理設(shè)計(jì)電極結(jié)構(gòu)。本論文主要通過制備具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)的長循環(huán)性能鋰硫電池正極材料,并運(yùn)用該材料制做鋰硫電池測試其性能,探究化學(xué)法限制多硫化合物的溶解和擴(kuò)散的關(guān)系和鋰硫電池正極材料對電化學(xué)性能的影響因素。其主要要求內(nèi)容包括如下三個部分:通過反向熱聚合制備具有高交聯(lián)度的聚合物材料,該聚合物材料有較高的硫含量、大量的共價鍵與硫交聯(lián),這些共價鍵能夠通過化學(xué)限域作用有效防止多硫化合物的溶解;合成交聯(lián)材料的網(wǎng)狀孔道結(jié)構(gòu)提供了鋰離子的擴(kuò)散通道。結(jié)果表明運(yùn)用該材料制備具有長循環(huán)特性的鋰硫電池電極,并在該電極上涂覆一層導(dǎo)電高分子PEDOT:PSS薄膜,這樣能夠通過物理法阻擋多硫化合物穿過隔膜產(chǎn)生穿梭效應(yīng);用涂覆有該導(dǎo)電高分子薄膜的電極片制備出鋰硫扣式電池表現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學(xué)性能。在0.1 C倍率電流放電下的首次放電容量為1362 mAh/g;在1C倍率電流下循環(huán)500次后的容量保持率76.6%。采用共沉淀法將三聚硫氰酸沉積在石墨烯表面,然后將其與硫自由基共聚合,形成了具有交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)且有高電導(dǎo)率的電極材料,用該材料用作鋰硫電池正極材料,可以有效提高電極材料活性物質(zhì)的含量;高電導(dǎo)石墨烯的嵌入,有效地提到了電池電子傳導(dǎo)能力,增強(qiáng)了電池的倍率性能;大量的共價鍵組成的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),能有效抑制多硫化合物的溶解和擴(kuò)散。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該有機(jī)硫電極材料中活性硫含量達(dá)到90%,在0.1 C的倍率充放電電流下,首次放電比容量為1341 mAh/g,進(jìn)過500次后電極中硫含量依然高達(dá)49.2%,其500次循環(huán)的單圈容量衰減率僅為0.0404%。通過合成高電導(dǎo)的含有硫酚鍵的聚苯胺結(jié)構(gòu),然后通過反向聚合作用,多硫化合物和聚苯胺結(jié)構(gòu)通過共價鍵結(jié)合形成了交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),其高電導(dǎo)的聚合物能提高電極材料的電導(dǎo)性,多孔結(jié)構(gòu)能夠提供快速的鋰離子擴(kuò)散通道,而且共價鍵交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能夠?qū)Χ嗔蚧衔镄纬捎行У奈�。電化學(xué)結(jié)果表明,用該材料制備的鋰硫電池正極材料活性物質(zhì)面積負(fù)載量可達(dá)2.5mg/cm~2,且表現(xiàn)出很好的倍率性能和長循環(huán)性能,在5 C的大倍率充放電電流下,放電比容量為600 mAh/g;在2 C的倍率充放電電流下,經(jīng)過1000次長循環(huán)的比容量為495 mAh/g,相當(dāng)于單圈容量衰減率僅為0.040%。
【學(xué)位單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TM912
【部分圖文】：

1-1 鋰離子二次電池電極材料和對應(yīng)的電化學(xué)性能（質(zhì)量比容量和嵌鋰電壓）圖re 1-1 Electrode materials and corresponding electrochemical performances in the curretechnologies[23].統(tǒng)鋰離子電池概述鋰離子電池充放電機(jī)理離子電池是根據(jù)其電解液中電解質(zhì)的在充放電過程中的存在狀態(tài)可以區(qū)子電池(LIB 電解液是流動的液態(tài)物質(zhì))和聚合物鋰離子電池(PLIB 電解液固態(tài)的凝膠狀)。基本所有的鋰離子電池均由正極電極、隔膜、負(fù)極電極護(hù)外殼和保護(hù)板、極耳等部分組成。目前商業(yè)上使用的正極材料的種類嵌鋰型化合物，這種化合物在可逆脫出和嵌入鋰離子的過程中，材料的骨架不會發(fā)生太大變化，從而使得保證了鋰離子電池脫出和嵌入的穩(wěn)定

圖 1-2 鋰離子電池充放電原理示意圖。Figure 1-2 Lithium ion battery charge-discharge principle.離子電池的充放電原理示意圖，以 LiCoO2為正極材料，石例，其在充放電過程中的電化學(xué)反應(yīng)方程式如下：反應(yīng)：+ -2 1-x 2LiCoO Li CoO +xLi +xeChargeDischarge(1-1反應(yīng)：+ -x 66C xLi +xe Li CChargeDischarge(1-2反應(yīng)：2 1-x 2 x 6LiCoO 6C Li CoO +Li CChargeDischarge(1-3，鋰離子從正極材料的晶格中脫出，通過濃度差擴(kuò)散到電解負(fù)極材料表面，并與負(fù)極材料發(fā)生化學(xué)作用，通過化學(xué)鍵嵌子從正極集流體經(jīng)外部負(fù)載做功后傳輸?shù)截?fù)極集流體中，以

在醚類電解液中的充放電電化學(xué)原理圖；(b) 鋰中的二個平臺充放電電壓曲線圖[36]。matic of the electrochemistry and (b) a typical 2-plprofile of lithium-sulfur batteries in ether-based ele存在問題材料的優(yōu)勢顯而易見，鋰硫電池 (Li-S Battery) 密度，是目前商業(yè)鋰離子電池如鈷酸鋰/碳體系0 倍左右，能夠滿足飛速發(fā)展的個人電子消費(fèi)品 以上的設(shè)計(jì)要求[38]。此外，該電池所用的主要突出的優(yōu)點(diǎn)使其最有可能成為下一代鋰離子電池規(guī)模產(chǎn)業(yè)化之前仍需解決下列的一系列的問題：
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本文編號：2875897