基于多電子氧化還原反應(yīng)的鋰硫電池具有極高的理論能量密度(2600 Wh kg^-1),因此得到了人們的廣泛關(guān)注。二硫化鋰和硫化鋰(Li₂S₂/Li₂S,記作Li₂S_1/2)的析出沉積是提高活性物質(zhì)硫利用率的關(guān)鍵。然而,對工作電池中Li₂S_1/2沉積過程的動(dòng)力學(xué)影響卻缺乏相關(guān)研究。鋰硫電池的負(fù)極是金屬鋰,具有極高的理論比容量(3860 mA h g^-1)和極低的還原電位（-3.04 V vs標(biāo)準(zhǔn)氫電極）,但也具有鋰枝晶生長阻礙電池發(fā)展的問題。研究固態(tài)Li₎S_1/2的沉積同時(shí)調(diào)節(jié)Li⁺的沉積對提高鋰硫電池的性能具有重要意義�；谝陨蟽蓚�(gè)問題,本工作主要分為以下兩個(gè)部分:首先,探究了Li₂S_1/2成核/生長行為與電流密度的關(guān)系,并以此作為構(gòu)建高硫負(fù)載/高硫含量鋰硫電池的指導(dǎo)原則。研究發(fā)現(xiàn),L... 

【文章來源】：曲阜師范大學(xué)山東省

【文章頁數(shù)】：53 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

鋰硫電池基本配置及存在問題示意圖

此時(shí)對應(yīng)的第一放電平臺(tái)的電壓一般在2.3V；第二個(gè)階段對應(yīng)著低電壓平臺(tái)的還原反應(yīng)：Li2Sx+Li++e-→Li2S2/Li2S(4≤x≤8)，由易溶解于電解液的液態(tài)多硫化物L(fēng)i2Sx轉(zhuǎn)化為固態(tài)的硫化物L(fēng)i2S1/2，此時(shí)對應(yīng)的第二放電平臺(tái)的電壓一般在2.1V。同樣，鋰硫電池的充電過程（屬于氧化反應(yīng)）對應(yīng)也有兩個(gè)階段，即由固態(tài)的硫化物L(fēng)i2S1/2氧化成液態(tài)的多硫化物L(fēng)i2Sx(4≤x≤8)，進(jìn)而氧化成Li2S8甚至S8單質(zhì)。也正是由于鋰硫電池是基于多電子氧化還原反應(yīng)的電池體系，才使得鋰硫電池具有如此高的能量密度（2600Whkg1）。如圖1.2所示，若鋰硫電池接通外界電路，放電時(shí)電子由鋰負(fù)極通過外電路傳輸?shù)搅蛘龢O，內(nèi)電路則鋰離子由負(fù)極到達(dá)正極參與還原反應(yīng)，總還原過程為S+2Li++2e→Li2S，充電時(shí)方向正好相反。圖1.2鋰硫電池電壓-容量曲線圖。1.2鋰硫電池正極研究現(xiàn)狀隨著對鋰硫電池機(jī)理的深入了解，近年來眾多研究者也提出并評(píng)估了一些設(shè)計(jì)策略，包括設(shè)計(jì)含硫正極材料、調(diào)節(jié)電解液性質(zhì)、引入阻擋層以抑制多硫化物穿梭等。這些策略有效的促進(jìn)了鋰硫電池的快速發(fā)展，其容量和循環(huán)穩(wěn)定性也得到了很大的提高。

第一章緒論5應(yīng)是基于鋰金屬負(fù)極和S8正極之間的多電子氧化還原反應(yīng)。如圖1.3所示，在整個(gè)放電過程中，鋰硫電池采用溶解/沉淀機(jī)制，活性物質(zhì)首先被還原為可溶性多硫化物（LiPSs），在放電曲線上表現(xiàn)為第一個(gè)放電平臺(tái)；然后可溶性多硫化物被進(jìn)一步還原為不溶性固態(tài)硫化物（Li2S1/2），在放電曲線上表現(xiàn)為第二個(gè)放電平臺(tái)。其中，第二個(gè)平臺(tái)是由液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗟倪^程，其理論容量為1256mAhg1，若假設(shè)Li2S4為最低還原態(tài)的可溶性LiPSs，則1256mAhg1占整個(gè)放電過程總?cè)萘康?5%，可見第二個(gè)平臺(tái)對應(yīng)的沉積形核過程對于電池整體容量性能的提升有著至關(guān)重要的作用。設(shè)計(jì)實(shí)用的鋰硫電池需要仔細(xì)匹配活性物質(zhì)和電解液配比，電絕緣固態(tài)硫化物的大量析出不可避免地減少了三相邊界的總數(shù)目和長度，為后續(xù)的氧化還原反應(yīng)帶來了極大地電化學(xué)障礙，甚至可能在重復(fù)循環(huán)過程中導(dǎo)致容量的急劇下降和電池的快速失效。因此，要想進(jìn)一步提高鋰硫電池的能量密度，縮減其實(shí)際容量和理論容量之間的差距，必須認(rèn)清第二平臺(tái)液固相轉(zhuǎn)化過程的機(jī)制和決定性因素，進(jìn)而提出合理的解決措施和方案。圖1.3鋰硫電池放電時(shí)多硫化物的轉(zhuǎn)變過程示意圖。1.5論文框架本論文主要針對鋰硫電池中硫正極和金屬鋰負(fù)極存在的問題展開工作，包括以下兩個(gè)方面：（1）鋰硫電池因其在理論能量密度和原料可持續(xù)性方面的獨(dú)特優(yōu)勢，被廣泛認(rèn)為是最新一代的儲(chǔ)能系統(tǒng)。然而，雖然由多硫化物中間體LiPSs向固態(tài)硫化物L(fēng)i2S1/2的沉積轉(zhuǎn)化過程貢獻(xiàn)了總放電容量的75%，對電池性能的提升至關(guān)重要，但是工作條件下活性物質(zhì)硫的液/固轉(zhuǎn)換行為及其影響因素卻很少被研究。我們在此工作中展示了電流密度依賴的Li2S1/2成核和生長行為，并為開

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Porous LiF layer fabricated by a facile chemical method toward dendrite-free lithium metal anode[J]. Yanxia Yuan,Feng Wu,Guanghai Chen,Ying Bai,Chuan Wu.  Journal of Energy Chemistry. 2019(10)
[2]Recent advances in gel polymer electrolyte for high-performance lithium batteries[J]. Ming Zhu,Jiaxin Wu,Yue Wang,Mingming Song,Lei Long,Sajid Hussain Siyal,Xiaoping Yang,Gang Sui.  Journal of Energy Chemistry. 2019(10)



本文編號(hào)：2940100