高能量密度硫基復(fù)合正極材料的制備與電化學(xué)性能的研究
發(fā)布時(shí)間：2020-12-29 23:49
以?xún)?chǔ)量豐富、價(jià)格低廉、環(huán)境友好的單質(zhì)硫?yàn)檎龢O、金屬鋰為負(fù)極組裝而成的鋰-硫（Li-S）電池有著極高的理論能量密度(2.6 kWh g-1),被認(rèn)為是最具前景的下一代能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)。但是,Li-S電池的發(fā)展嚴(yán)重受制于硫正極的幾個(gè)缺點(diǎn),如單質(zhì)硫及其放電產(chǎn)物電導(dǎo)率低、長(zhǎng)鏈多硫化鋰（LiPS）溶于醚類(lèi)電解液而因此產(chǎn)生“穿梭效應(yīng)”等。為解決以上問(wèn)題,常常將硫與碳納米材料復(fù)合并減少硫含量。然而低密度、低活性物質(zhì)含量的硫/碳（S/C）復(fù)合材料不可避免地降低了正極的體積比容量和質(zhì)量比容量,使Li-S電池的實(shí)際能量密度遠(yuǎn)低于其理論值。因此,研制高比容量的穩(wěn)定復(fù)合正極材料是推動(dòng)高能量密度Li-S電池發(fā)展的關(guān)鍵。本論文以此為出發(fā)點(diǎn),將高密度、強(qiáng)極性并具有電催化活性的導(dǎo)電金屬氧化物作為載體制備高硫含量Li-S電池正極復(fù)合材料,以期實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量能量密度、體積能量密度和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性的結(jié)合。首先,通過(guò)水浴法制備Co（OH）2片,后用NaClO溶液氧化脫氫制備得到羥基氧化鈷（CoOOH）片,隨后通過(guò)液相法與硫復(fù)合,得到硫含量高達(dá)91.8 wt%的S/CoOOH復(fù)合正極材料。...
【文章來(lái)源】：南開(kāi)大學(xué)天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁(yè)數(shù)】：90 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
各種儲(chǔ)能體系的功率密度和能量密度對(duì)比圖
圖 1.2 (a) 鋰-硫電池充放電機(jī)理；(b) 鋰-硫電池在醚類(lèi)電解液中雙平臺(tái)放電/充電曲線[5]。Fig 1.2 (a) Schematic of the electrochemistry and (b) a typical 2-plateau charge/discharge voltageprofile of lithium-sulfur batteries in ether-based electrolytes[5].1.2.2 鋰-硫電池存在的問(wèn)題盡管 Li-S 電池理論能量密度遠(yuǎn)高于其他電池體系，但是經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展仍有諸多問(wèn)題未能徹底解決，阻礙了 Li-S 電池的實(shí)際應(yīng)用和商業(yè)化。首先對(duì)于正極而言，活性物質(zhì)硫的電子電導(dǎo)率極低 (~10-30S cm-1)，其放電產(chǎn)物也不導(dǎo)電，正極材料表現(xiàn)出電化學(xué)惰性、活性物質(zhì)利用率較低、電池倍率性能差。為了提高電子在正極中的傳導(dǎo)，往往需要將硫與導(dǎo)電添加劑 (如碳材料)復(fù)合，并實(shí)現(xiàn)單質(zhì)硫的均勻分散，而這些非活性物質(zhì)的使用卻降低了正極中的硫含量，使其實(shí)際能量密度遠(yuǎn)低于理論值。此外，單質(zhì)硫和硫化鋰的密度差異 (2.03g cm-3vs. 1.67 g cm-3)[5]造成充放電過(guò)程中硫正極顯著的體積變化，導(dǎo)致導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)被破壞，進(jìn)而使得正極粉化、破裂。
1.3.2 硫/碳復(fù)合材料碳材料往往具有良好的導(dǎo)電性、豐富的比表面積和易于調(diào)控的孔道結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)孔徑分布、孔徑大小的合理設(shè)計(jì)和調(diào)諧，可以構(gòu)筑三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)并實(shí)現(xiàn)大孔介孔、微孔的有機(jī)結(jié)合，為電子傳導(dǎo)和離子的傳輸提供良好的通道，兼之高的比表面積使硫易于在材料表面均勻分散，從而有利于活性物質(zhì)的高效利用和電化學(xué)反應(yīng)速率的提高。碳材料豐富的介孔或微孔對(duì)多硫離子具有物理限域作用，可減少多硫離子的溶出；此外，充放電過(guò)程中活性物質(zhì)的體積變化能被碳材料豐富的孔隙所緩沖，從而減少對(duì)硫正極的破壞。2009 年，Li 等[19]將高度有序的介孔碳 CMK-3 作為載體，采用熔融-擴(kuò)散法在 155oC 下與硫復(fù)合制備 S/CMK-3 復(fù)合材料并作為 Li-S 電池正極，實(shí)現(xiàn)了在0.1C 倍率下穩(wěn)定循環(huán) 20 圈 (圖 1.3)；隨后又包覆以親水的聚乙二醇，放電容量進(jìn)一步提高。利用高導(dǎo)碳材料對(duì)硫正極進(jìn)行封裝這一策略引領(lǐng)了 Li-S 電池的迅猛發(fā)展。
本文編號(hào)：2946569
【文章來(lái)源】：南開(kāi)大學(xué)天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁(yè)數(shù)】：90 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
各種儲(chǔ)能體系的功率密度和能量密度對(duì)比圖
圖 1.2 (a) 鋰-硫電池充放電機(jī)理；(b) 鋰-硫電池在醚類(lèi)電解液中雙平臺(tái)放電/充電曲線[5]。Fig 1.2 (a) Schematic of the electrochemistry and (b) a typical 2-plateau charge/discharge voltageprofile of lithium-sulfur batteries in ether-based electrolytes[5].1.2.2 鋰-硫電池存在的問(wèn)題盡管 Li-S 電池理論能量密度遠(yuǎn)高于其他電池體系，但是經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展仍有諸多問(wèn)題未能徹底解決，阻礙了 Li-S 電池的實(shí)際應(yīng)用和商業(yè)化。首先對(duì)于正極而言，活性物質(zhì)硫的電子電導(dǎo)率極低 (~10-30S cm-1)，其放電產(chǎn)物也不導(dǎo)電，正極材料表現(xiàn)出電化學(xué)惰性、活性物質(zhì)利用率較低、電池倍率性能差。為了提高電子在正極中的傳導(dǎo)，往往需要將硫與導(dǎo)電添加劑 (如碳材料)復(fù)合，并實(shí)現(xiàn)單質(zhì)硫的均勻分散，而這些非活性物質(zhì)的使用卻降低了正極中的硫含量，使其實(shí)際能量密度遠(yuǎn)低于理論值。此外，單質(zhì)硫和硫化鋰的密度差異 (2.03g cm-3vs. 1.67 g cm-3)[5]造成充放電過(guò)程中硫正極顯著的體積變化，導(dǎo)致導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)被破壞，進(jìn)而使得正極粉化、破裂。
1.3.2 硫/碳復(fù)合材料碳材料往往具有良好的導(dǎo)電性、豐富的比表面積和易于調(diào)控的孔道結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)孔徑分布、孔徑大小的合理設(shè)計(jì)和調(diào)諧，可以構(gòu)筑三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)并實(shí)現(xiàn)大孔介孔、微孔的有機(jī)結(jié)合，為電子傳導(dǎo)和離子的傳輸提供良好的通道，兼之高的比表面積使硫易于在材料表面均勻分散，從而有利于活性物質(zhì)的高效利用和電化學(xué)反應(yīng)速率的提高。碳材料豐富的介孔或微孔對(duì)多硫離子具有物理限域作用，可減少多硫離子的溶出；此外，充放電過(guò)程中活性物質(zhì)的體積變化能被碳材料豐富的孔隙所緩沖，從而減少對(duì)硫正極的破壞。2009 年，Li 等[19]將高度有序的介孔碳 CMK-3 作為載體，采用熔融-擴(kuò)散法在 155oC 下與硫復(fù)合制備 S/CMK-3 復(fù)合材料并作為 Li-S 電池正極，實(shí)現(xiàn)了在0.1C 倍率下穩(wěn)定循環(huán) 20 圈 (圖 1.3)；隨后又包覆以親水的聚乙二醇，放電容量進(jìn)一步提高。利用高導(dǎo)碳材料對(duì)硫正極進(jìn)行封裝這一策略引領(lǐng)了 Li-S 電池的迅猛發(fā)展。
本文編號(hào)：2946569
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