隨著新一代電子產品的快速發(fā)展、傳統(tǒng)的鋰離子電池已經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)化電池體系成為當今研究的重點。鋰硫電池是以硫做正極,金屬鋰做負極的電池體系,其理論比能量為2600 Wh/kg,遠遠高于現(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電性能、防止多硫化合物的溶解和擴散、合理設計電極結構。本論文主要通過制備具有交聯(lián)結構的長循環(huán)性能鋰硫電池正極材料,并運用該材料制做鋰硫電池測試其性能,探究化學法限制多硫化合物的溶解和擴散的關系和鋰硫電池正極材料對電化學性能的影響因素。其主要要求內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)材料的網狀孔道結構提供了鋰離子的擴散通道。結果表明運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生穿梭效應;用涂覆有該導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)網狀結構且有高電導率的電極材料,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的含量;高電導石墨烯的嵌入,有效地提到了電池電子傳導能力,增強了電池的倍率性能;大量的共價鍵組成的交聯(lián)網狀結構,能有效抑制多硫化合物的溶解和擴散。實驗結果表明,該有機硫電極材料中活性硫含量達到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,進過500次后電極中硫含量依然高達49.2%,其500次循環(huán)的單圈容量衰減率僅為0.0404%。通過合成高電導的含有硫酚鍵的聚苯胺結構,然后通過反向聚合作用,多硫化合物和聚苯胺結構通過共價鍵結合形成了交聯(lián)網狀結構,其高電導的聚合物能提高電極材料的電導性,多孔結構能夠提供快速的鋰離子擴散通道,而且共價鍵交聯(lián)的網狀結構能夠對多硫化合物形成有效的吸附。電化學結果表明,用該材料制備的鋰硫電池正極材料活性物質面積負載量可達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,經過1000次長循環(huán)的比容量為495 mAh/g,相當于單圈容量衰減率僅為0.040%。
【學位單位】：華南理工大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：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的電化學性能（質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理離子電池是根據(jù)其電解液中電解質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)和聚合物鋰離子電池(PLIB 電解液固態(tài)的凝膠狀)�；舅械匿囯x子電池均由正極電極、隔膜、負極電極護外殼和保護板、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反應方程式如下：反應：+ -2 1-x 2LiCoO Li CoO +xLi +xeChargeDischarge(1-1反應：+ -x 66C xLi +xe Li CChargeDischarge(1-2反應：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，通過濃度差擴散到電解負極材料表面，并與負極材料發(fā)生化學作用，通過化學鍵嵌子從正極集流體經外部負載做功后傳輸?shù)截摌O集流體中，以

在醚類電解液中的充放電電化學原理圖；(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)展的個人電子消費品 以上的設計要求[38]。此外，該電池所用的主要突出的優(yōu)點使其最有可能成為下一代鋰離子電池規(guī)模產業(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