地球資源與日俱減,因而開(kāi)發(fā)新一代的能源成為當(dāng)代的必然要求。鋰離子電池作為新一代的儲(chǔ)能設(shè)備已經(jīng)受到眾多研究人員的關(guān)注與研究。但是,現(xiàn)行的鋰離子電池正極材料依然受到制造成本高,容量小,能量密度低等缺陷的制約而限制了其進(jìn)一步推廣應(yīng)用。與此同時(shí),鋰硫電池的出現(xiàn)彌補(bǔ)了現(xiàn)行鋰離子電池的不足,為鋰離子電池提供了更大的應(yīng)用潛力。但是鋰硫電池本身同時(shí)存在一定缺陷,硫單質(zhì)材料本身的電子絕緣和離子絕緣的特性,充放電過(guò)程中間產(chǎn)物反復(fù)發(fā)生的穿梭效應(yīng)與硫單質(zhì)在充放電前后發(fā)生體積膨脹效應(yīng)等,均對(duì)鋰硫電池電極材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大的破壞,造成了鋰硫電池充放電過(guò)程中電極材料損失嚴(yán)重,循環(huán)性能差的現(xiàn)狀。針對(duì)鋰硫電池面對(duì)的問(wèn)題,本文主要通過(guò)制備形貌可控的分級(jí)多孔碳材料基體,控制硫材料的形貌與尺寸以及探究復(fù)合方式對(duì)電化學(xué)性能影響的設(shè)計(jì)思路,以此優(yōu)化改性鋰硫電池性能。具體研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:（1）首先以梧桐落葉作為碳前軀體,在磷酸的活化作用下,通過(guò)更為簡(jiǎn)易的實(shí)驗(yàn)步驟成功制備了形貌可控的分級(jí)多孔生物質(zhì)碳材料。在不同的磷酸與碳前軀體配比下,制備了一系列分級(jí)多孔碳材料,且具有良好的比表面積與孔容。將磷酸與碳前驅(qū)體的質(zhì)量比為3:1和6:1... 

【文章來(lái)源】：濟(jì)南大學(xué)山東省

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鋰硫電池(a)充放電曲線和(b)工作原理

濟(jì)南大學(xué)碩士學(xué)位論文9圖1.2MPCSs的氮?dú)馕摳角�與孔徑分布常見(jiàn)的炭黑也是一種零維碳材料。Li等[64]利用KOH的活化作用對(duì)商業(yè)化導(dǎo)電炭黑(CCB)進(jìn)行了水熱、高溫活化處理，得到A-CCB碳材料，極大提升了炭黑材料原有的比表面積與孔體積，有助于提升碳硫復(fù)合材料的電化學(xué)性能。與單質(zhì)硫材料進(jìn)行復(fù)合后得到復(fù)合材料S@A-CCB，在復(fù)合材料的載硫量為64%時(shí)，鋰硫電池具有更好的電化學(xué)性能，在0.1C倍率下，放電容量可以達(dá)到1175mAh/g。Sun等[65]在材料的表面引入羧基官能團(tuán)，對(duì)納米炭黑顆粒(NCB)進(jìn)行了表面改性，并利用沉積法，在溶液反應(yīng)中完成硫材料的復(fù)合過(guò)程并制備了NCB-S@NCB結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，在0.1C的倍率下，材料的首次放電容量達(dá)到1258mAh/g，經(jīng)過(guò)100次循環(huán)后，放電比容量為865mAh/g。1.3.1.2一維碳材料一維碳材料主要包括有碳納米纖維和碳納米管，由于其制備過(guò)程通常涉及到高溫碳化處理，因而材料通常具有較高的或者完全的石墨化程度，且軸向尺寸遠(yuǎn)大于徑向尺寸，可以提供穩(wěn)定且連續(xù)的導(dǎo)電框架[66]。碳納米管由于具有較高的導(dǎo)電率(102~106S/cm)和優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，因而在鋰硫電池中也得到了廣泛的研究與應(yīng)用。Wu等[67]通過(guò)PMMA和PAN反應(yīng)成功制備了具有多孔結(jié)構(gòu)的碳納米纖維，如圖1.3所示，利用多孔結(jié)構(gòu)對(duì)多硫化物穿梭效應(yīng)與硫單質(zhì)體積膨脹效應(yīng)的緩解作用，以及碳納米纖維本身良好的導(dǎo)電性與優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的特點(diǎn)，極大提升了鋰硫電池的電話學(xué)性能，在0.1C倍率下，經(jīng)過(guò)100次循環(huán)測(cè)試，材料的可逆比容量為780mAh/g，容量保持率為87%。Zhang等[68]通過(guò)反應(yīng)制備了由碳納米纖維和碳納米管構(gòu)成的一體化電極，制備的一體化電極具有更加優(yōu)良的導(dǎo)電性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及材料柔性，是一種三維的互聯(lián)結(jié)構(gòu)，可以有效提高復(fù)合材料中的硫含量以及緩?

濟(jì)南大學(xué)碩士學(xué)位論文10而在電極材料的制備過(guò)程中不再需要額外引入粘結(jié)劑與集流體，從而降低了電池的總體重量。S-MWCNT復(fù)合電極材料在1C和4C倍率下的放電比容量分別為1352mAh/g和1012mAh/g。圖1.3S/MhMpCFs復(fù)合材料合成過(guò)程示意圖1.3.1.3二維碳材料石墨烯為主要應(yīng)用于鋰硫電池中的二維碳材料，具有優(yōu)秀的導(dǎo)電性(106S/cm)，高比表面積(2600m2/g)，機(jī)械強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)[70]。Zhou等[71]通過(guò)在石墨片層之間插入多孔空心碳球的方法，成功制備出了一體化電極，在一體化電極的載硫量為3.9mg/cm2時(shí)，材料在3C倍率下的充放電比容量為400mAh/g，在循環(huán)性能方面明顯優(yōu)于通過(guò)石墨制備得到的復(fù)合正極材料。Xiao等[72]將納米硫材料、大分子導(dǎo)電聚合物以及氧化還原石墨烯進(jìn)行復(fù)合，并成功制備了三元復(fù)合的一體化電極。其中，由于大分子導(dǎo)電聚合物具有優(yōu)良的導(dǎo)電性與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，制備得到的一體化電極的電化學(xué)反應(yīng)速率得到明顯提升，在0.2C倍率下，三元復(fù)合的一體化電極比傳統(tǒng)的石墨烯包覆納米硫電極擁有更高的充放電比容量以及更穩(wěn)定的循環(huán)性能。Chong等[73]利用片層狀的石墨烯材料經(jīng)過(guò)快速干燥處理后，材料表面出現(xiàn)褶皺的特性，通過(guò)濕法的靜電紡絲技術(shù)合成了導(dǎo)電性優(yōu)良的柔性帶狀正極復(fù)合材料(rGO/GC/S)，如圖1.4所示。在制備的帶狀復(fù)合正極材料中，由石墨烯團(tuán)簇(GC)和石墨烯片層(rGO)構(gòu)成的海綿狀導(dǎo)電多孔結(jié)構(gòu)，可以為鋰離子和電子的快速傳輸提供通道，改善電極材料的倍率性能。經(jīng)過(guò)測(cè)定，制備的柔性帶狀復(fù)合電極的整體導(dǎo)電率為29.4S/cm-1，在0.2C的倍率下，循環(huán)100次之后，電極材料依然具有524mAh/g的比容量。Evers等[74]通過(guò)氧化石墨烯(GO)氧化多硫化鈉的方法，在溶液中經(jīng)過(guò)一步反應(yīng)制備得到了石墨烯-硫復(fù)合材料(GSC)。經(jīng)過(guò)測(cè)定，復(fù)合材料?

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]高比能鋰硫電池正極材料研究進(jìn)展[J]. 任逸倫,胡金龍,仲皓想,路繼群,張靈志.  新能源進(jìn)展. 2018(05)
[2]鋰硫電池硫基復(fù)合正極材料發(fā)展綜述[J]. 唐澤勛,葉紅齊,韓凱,王治安.  電子元件與材料. 2017(10)
[3]鋰硫電池石墨烯/硫復(fù)合正極材料的制備及其電化學(xué)性能[J]. 陳飛彪,王英男,吳伯榮,熊云奎,廖維林,吳鋒,孫喆.  無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào). 2014(06)

碩士論文
[1]鋰硫電池硫/碳復(fù)合正極材料的研究[D]. 李振華.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2014



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