鋰硫電池的理論比容量和理論能量密度分別為1675 mAh g^-1和2600 Wh kg^-1,并且硫單質具有資源豐富、環(huán)境友好、價格低廉等優(yōu)點。因此,鋰硫電池被認為是最有前途的二次電池之一。但是硫單質的電導率低,反應中多硫化物的穿梭效應,倍率性能差等問題限制了鋰硫電池更大規(guī)模的商業(yè)化和實際應用。納米結構電極的設計可以充分發(fā)揮納米結構單元的動力學優(yōu)勢,又體現(xiàn)復合結構在儲鋰過程中離子/電子傳導、界面穩(wěn)定和電化學過程穩(wěn)定的設計思路,提高電池的綜合性能。基于此,本文從增強硫正極鋰離子傳導能力和化學吸附多硫化物角度出發(fā),設計并合成了三種新型納米結構硫正極材料,提高鋰硫電池的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性,主要結果如下:（1）為解決高電流密度下硫正極鋰離子傳輸困難的問題,協(xié)同碳材料和二維V₂C-Li作為載硫基質合成了柔性自支撐硫正極。該復合結構中碳材料提供導電骨架和發(fā)揮柔性載體的功能;V₂C-Li作為固硫基質,利用自身極性對多硫化物的化學吸附作用可以有效地抑制穿梭效應。最重要的是鋰離子嵌入的V₂C-L... 

【文章來源】：河北大學河北省

【文章頁數(shù)】：70 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

鋰硫電池工作原理圖

第一章緒論5圖1-2石墨烯-硫復合材料的合成步驟示意圖Fig.1-2Schematicofthesynthesisstepsforagraphene-sulfurcomposite.碳納米管（CNTs）[43-46]作為一維納米材料，重量輕，六邊形結構連接完美，具有許多優(yōu)異的力學、電學和化學性能。Guo[47]等人用陽極氧化鋁膜作為硬模板，將聚丙烯腈的N,N-二甲基甲酰胺溶液澆灌到模板上烘干、燒結用氫氧化鈉溶液去除掉氧化鋁模板，得到直徑大約是300nm的中空碳納米管材料。用熔融法將硫單質浸漬到中空碳納米管當中，制備復合硫正極材料。得到的復合硫正極材料在0.25C電流密度下循環(huán)一百圈后容量維持在750mAhg1左右，并且大大提高了電池循環(huán)的庫倫效率。如圖1-3所示Zhao[48]等人用多壁碳納米管（MWNTS）[49-51]為原始材料通過包覆兩層SiO2，內層為固體SiO2，外層為多孔SiO2層，并在孔中負載十八烷基三甲氧基硅烷（C18TMS）作為致孔劑和碳源。然后氬氣氣氛下進行煅燒，C18TMS的有機部分轉化為碳，氫氧化鈉溶掉SiO2獲得碳管包碳管的材料（S-TTCN），通過簡單的熔融法載硫之后裝備電池。在500mAhg1電流密度下表現(xiàn)出918mAhg1的初始比容量（基于硫）或者是50次循環(huán)后容量保持在652mAhg1（基于整體材料）。這種新型的管中管的結構形成了雙層的物理限域，有效的減少活性物質的損失，并且能適應反應過程中活性物質的體積變化，提高復合硫正極材料的穩(wěn)定性，再加上材料整體導電性的提高，大大的提升了鋰硫電池的電化學性能。

河北大學碩士論文6圖1-3S-TTCN復合材料形成的示意圖Fig.1-3SchematicillustrationfortheformationofS-TTCNcomposite.碳納米纖維（CNF）[52-53]是由多層石墨片卷曲而成的纖維狀納米碳材料，具有高的強度、質輕、導熱性良好及高的導電性等特性[54-55]。作為碳材料的一種碳納米纖維也被研究人員應用到鋰硫電池領域。Zheng等人[56]采用陽極氧化鋁模板法[57-59]以聚苯乙烯為碳源，通過熱碳化過程使得聚苯乙烯在模板上長成空心的碳納米纖維，因為有模板的存在，所以熔融法載硫時大部分的硫都會在空心結構中，保證了大部分的活性物質都會受到物理限域的作用從而降低穿梭效應給電池性能帶來的衰減，大比表面積和高導電性大大提高了活性物質的利用率。最后用氫氧化鈉溶液去除掉模板得到空心碳納米纖維載硫復合材料。150次充放電循環(huán)后，0.2C電流密度下容量保持在750mAhg1，庫侖效率提高到99%以上。如圖1-4，Yuan等人[60]首先通過添加聚乙二醇（PEG）的方法得到了優(yōu)異分散性的空心碳納米纖維，再通過熔融法將硫包覆在空心結構中，這種復合硫正極材料裝備電池表現(xiàn)1135mAhg1的初始放電容量，并且在循環(huán)四十圈后容量保持率達到75.3%。圖1-4中空碳納米纖維/硫復合材料的設計和制造過程示意圖Fig.1-4Schematicofdesignandfabricationprocessofhollowcarbonnanofibers/sulfurcomposite.


本文編號：3218861