發(fā)布時間：2017-05-01 12:14

  本文關鍵詞：新型鋰硫電池的設計與性能研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：目前,鋰離子電池在移動電子設備電源中取得了極大成功。用于商業(yè)化銼離子電池正極材料的理論比容量大約在120-200 mAh g-1左右。由于受到了這些材料理論容量的限制,我們已經(jīng)很難進一步大幅提高這些電池的實際能量密度,難以滿足用于長距離運輸?shù)碾妱悠嚮蛘呋旌蟿恿ζ嚨囊�。近幾年�?鋰硫電池收到越來越廣泛地關注。在鋰硫電池中,活性物質硫的理論比容量為1675 mAh g-1,電池比理論能量更是高達2600 Wh kg-1,是傳統(tǒng)鋰離子電池的5-8倍。另外,硫元素在自然界中儲量豐富,而且對環(huán)境友好、沒有污染,所以與其他正極材料相比擁有很大的優(yōu)勢。但是鋰硫電池距離大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)仍然有著不小的距離,因為其存在幾個難以克服的困難,例如硫導電性差導致電池功率性能差、負極金屬鋰表面的枝晶問題使電池存在安全隱患、“穿梭效應”降低電池效率并影響電池循環(huán)壽命。其中,“穿梭效應”是鋰硫電池面臨的最嚴重問題。本論文針對鋰硫電池存在的缺點,設計了兩種新型電池結構,從而改善鋰硫電池的電化學性能。第一種是基于嵌鋰碳基負極的鋰硫電池,將一般鋰硫電池中使用的金屬鋰片負極替換為基于碳的負極。首先,本文使用熱處理的方法合成硫-多壁碳納米管復合材料作為電池的正極。這種硫碳復合材料較于傳統(tǒng)碳硫復合材料硫載量更高(80%),將其作為鋰硫電池正極材料可得到更大的比能量。在0.2 C倍率下,硫碳復合材料首次放電比容量達到1304 mAh g-1,循環(huán)50次后比容量保留783 mAh g-1,容量保持率為60%。之后論文設計了三種基于這種結構鋰硫全電池：第一種是將石墨通過電化學方法預嵌鋰,然后與硫-多壁碳納米管復合正極組裝成全電池,其首圈放電容量為1113 mAh g-1,在50圈后仍能保持在757 mAh g-1,比能量為485 Wh kg-1;第二種是將硫-多壁碳納米管復合正極通過電化學方法預嵌鋰,然后與石墨負極組裝成全電池,其首圈充電容量高達1226 mAh g-1,在50圈后仍保持515 mAh g-1的容量,其比能量為390 mAh g-1;第三種是將硬碳通過化學方法預嵌鋰,然后與硫／多壁碳納米管復合正極組裝成全電池,其最大比容量為1235 mAh g-1,在50圈后仍保持628 mAh g-1,比能量為568 mAh g-1.這幾種電池的比能量均高于商業(yè)化的鋰離子電池(一般小于250 mAh g-1),所以均具有一定的商業(yè)化價值。第二種是基于固態(tài)電解質的新型固態(tài)鋰硫電池結構,將導離子能力較好的全固態(tài)LAGP陶瓷片作為鋰硫電池的電解質。論文中使用蒸鍍的方法將鋰沉積到LAGP片上作為負極,將硫-多壁碳納米管復合材料涂到LAGP片的另一面上作為正極,并且在正極表面滴加少量離子液體以增加正極的導離子能力。這種電池在室溫20 mA g-1的電流密度下首圈充放電容量高達1530 mAh g-1,并且在20圈后保持在1400 mAh g-1。采用這種結構的電池完全抑制了“穿梭效應”這一鋰硫電池中最大的缺陷。本文通過對鋰硫電池結構的改進,在很大程度上改善其缺點,為鋰硫電池的實用化做出了貢獻。
【關鍵詞】：鋰硫電池 鋰離子電池 硫/碳復合正極材料 嵌鋰石墨負極 固態(tài)鋰硫電池
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TM912
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 緒論12-26
• 1.1 引言12
• 1.2 鋰硫電池簡介12-14
• 1.3 鋰硫電池缺陷及改進方法14-23
• 1.3.1 對鋰硫電池正極的改進15-17
• 1.3.2 對鋰硫電池負極的改進17-20
• 1.3.3 對鋰硫電池電解液的改進20-23
• 1.4 研究目的和主要研究內容23-26
• 第二章 實驗儀器和方法26-34
• 2.1 實驗試劑26-28
• 2.2 實驗儀器28-29
• 2.3 實驗內容29-34
• 2.3.1 材料的制備29
• 2.3.2 SEM表征29
• 2.3.3 熱重分析29
• 2.3.4 晶體結構分析29-30
• 2.3.5 電極極片的制備30
• 2.3.6 測試電池的組裝30-31
• 2.3.7 真空蒸鍍操作31
• 2.3.8 電池的電化學測試31-34
• 第三章 硫/多壁碳納米管復合材料的制備及電化學性能34-40
• 3.1 引言34
• 3.2 實驗部分34-35
• 3.2.1 硫/碳復合材料的制備34
• 3.2.2 鋰硫電池的組裝34-35
• 3.2.3 結構分析和電性能分析35
• 3.3 結果與討論35-37
• 3.3.1 硫/碳復合材料的熱重分析35-36
• 3.3.2 硫/碳復合材料的形貌分析36
• 3.3.3 硫/碳復合材料電化學性能分析36-37
• 3.3.4 硫/碳復合材料放電產(chǎn)物XRD表征37
• 3.4 本章小結37-40
• 第四章 使用碳基負極的鋰硫電池40-48
• 4.1 引言40
• 4.2 基于硫正極和鋰化石墨負極的電池40-42
• 4.2.1 電化學鋰化石墨負極的制備41
• 4.2.2 硫/鋰化石墨電池的組裝41
• 4.2.3 硫/鋰化石墨電池的電性能分析41-42
• 4.3 基于硫化鋰正極和石墨負極的電池42-43
• 4.3.1 電化學鋰化硫正極的制備42-43
• 4.3.2 硫化鋰/石墨電池的組裝43
• 4.3.3 硫化鋰/石墨電池的電性能分析43
• 4.4 基于硫正極和鋰化硬碳負極的電池43-46
• 4.4.1 化學鋰化硬碳負極的制備44
• 4.4.2 硫/鋰化硬碳電池的組裝44-45
• 4.4.3 硫/鋰化硬碳電池的電性能分析45-46
• 4.5 本章小結46-48
• 第五章 使用高鋰離子電導固態(tài)電解質LAGP的固態(tài)鋰硫電池48-56
• 5.1 引言48
• 5.2 實驗部分48-50
• 5.2.1 固態(tài)電解質片LAGP的制備48-49
• 5.2.2 固態(tài)鋰硫電池的結構與組裝過程49-50
• 5.2.3 結構分析和電性能分析50
• 5.3 結果與討論50-54
• 5.3.1 LAGP固態(tài)電解質片的形貌與結構分析50-51
• 5.3.2 蒸鍍鋰層的形貌分析51
• 5.3.3 使用離子液體的鋰硫電池性能分析51-52
• 5.3.4 固態(tài)鋰硫電池在室溫的電性能分析52-53
• 5.3.5 固態(tài)鋰硫電池在不同溫度和電流密度下的電性能分析53-54
• 5.3.6 固態(tài)鋰硫電池在不同溫度下的GITT性能曲線54
• 5.4 本章小結54-56
• 第六章 結論與展望56-58
• 參考文獻58-66
• 文章發(fā)表情況66-67
• 致謝67-68

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