鋰硫電池作為最有前途的下一代儲能系統(tǒng)之一。多硫化鋰的溶解所引起的穿梭效應(yīng)和充電放電過程中緩慢的氧化還原反應(yīng)動力學(xué)顯著降低了鋰硫電池的循環(huán)壽命和硫的利用率,進(jìn)而限制了它在商業(yè)中的應(yīng)用。為了克服硫正極固有的問題,人們付出了巨大的努力開發(fā)新型硫復(fù)合材料并取得了一定的進(jìn)展。然而,進(jìn)行有效的構(gòu)建高導(dǎo)電和高催化特性的固硫載體仍然是一個挑戰(zhàn)。本文主要圍繞著基于碳納米結(jié)構(gòu)開發(fā)廉價高效的催化劑、構(gòu)建合理穩(wěn)定的載硫結(jié)構(gòu)和設(shè)計具有高效協(xié)同作用的組分等方面進(jìn)行研究以提高鋰硫電池的電化學(xué)性能,同時對鋰硫電池的吸附-催化協(xié)同機(jī)理進(jìn)行了闡述,另外通過理論計算和非原位X-射線光電子能譜等手段深入理解催化劑對多硫化物的作用機(jī)制。具體研究內(nèi)容及結(jié)果如下:（1）基于氮摻雜碳納米片負(fù)載FeS₂納米顆粒的鋰硫電池正極性能研究。針對鋰硫電池中硫利用率低和多硫化物溶解等問題,我們提出了利用高電子導(dǎo)電的氮摻雜碳納米片和廉價的無機(jī)FeS₂納米顆粒復(fù)合的策略。實驗結(jié)果表明FeS₂對多硫化鋰不但具有很強(qiáng)的吸附能力,而且能夠催化多硫化鋰的轉(zhuǎn)化。同時,理論計算進(jìn)一步揭示了FeS... 

【文章來源】：青島科技大學(xué)山東省

【文章頁數(shù)】：105 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

(a)電池市場的未來發(fā)展及(b)現(xiàn)階段電池技術(shù)水平及研究方向[9]

基于碳納米結(jié)構(gòu)的鋰硫正極材料設(shè)計及性能研究2成本和大的能量密度,很快征服了電子產(chǎn)品市場先于其他競爭對手[7]。盡管如此,隨著技術(shù)的發(fā)展和在電動汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，鋰離子電池已經(jīng)不能滿足高能量密度電子器件不斷更新的要求，且鋰離子電池技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)到達(dá)了瓶頸。研究表明在未來的十年內(nèi)電動汽車的市場將快速增長，對電池的需求也會進(jìn)一步的增加(圖1-1a)[8]。由于能量密度低于250Whkg1是無法滿足當(dāng)下智能電網(wǎng)和電動汽車等儲能器件的高比能量要求，并阻礙了這些儲能系統(tǒng)在各種新興領(lǐng)域的應(yīng)用普及和部署。因此，為了適應(yīng)社會快速發(fā)展的需求，研究者們需要盡快開發(fā)出具有高比容量或比能量的新材料種類或儲能系統(tǒng)[9]。目前，新興的電池類儲能系統(tǒng)主要有鋰硫電池和燃料電池等，而燃料電池面臨的問題相對較多，離實用化還有一段距離[10]。鋰硫電池通過正極單質(zhì)硫和負(fù)極鋰之間基于一種氧化還原反應(yīng)的多電子轉(zhuǎn)換機(jī)制來儲存/釋放電能,鋰金屬和單質(zhì)硫的結(jié)合產(chǎn)生的理論比能量高達(dá)2600Whkg1，這幾乎是目前的商用鋰離子二次電池容量的四倍及以上(圖1-1b)[5]。此外，單質(zhì)硫在自然界中分布廣泛、儲量豐富和制取工藝簡單，且對環(huán)境友好，使得鋰硫電池成為一種綠色、低成本的選擇[11]。由于大量研究者的努力使得鋰硫電池技術(shù)比其他新型電池有進(jìn)步進(jìn)而更接近實際生產(chǎn)和應(yīng)用。因此，鋰硫電池是新一代最具應(yīng)用前景的儲能系統(tǒng)之一[12]。更重要的是，鋰硫電池系統(tǒng)與鋰離子電池相似，就電池制造而言可以更經(jīng)濟(jì)地實現(xiàn)鋰離子向鋰硫電池的過渡，實現(xiàn)現(xiàn)代清潔能源與綠色產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。1.2鋰硫電池簡介1.2.1鋰硫電池的結(jié)構(gòu)組成和優(yōu)勢圖1-2鋰硫電池結(jié)構(gòu)組成示意圖[13]Fig.1-2Schematicdiagramoflithium-sulfurbattery[13].

青島科技大學(xué)研究生學(xué)位論文3典型的鋰硫電池由硫正極、金屬鋰負(fù)極、有機(jī)電解質(zhì)和隔膜組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖1-2所示[13]。在電池的充/放電過程中，單質(zhì)硫和鋰離子直接進(jìn)行氧化還原反應(yīng)。與鋰離子電池相比，鋰硫電池更具有優(yōu)勢：(1)理論比容量和比能量高。硫作為一種電化學(xué)活性材料，在相對于Li/Li+約2.1V的電壓下，每個硫原子最多可以接受兩個鋰離子。這使得硫正極電池展現(xiàn)出較高的理論比容量和能量密度，分別達(dá)到了1675mAhg1和2600Whkg1，這是目前鋰離子電池容量的的四倍以上[14]。(2)正極材料成本低廉。硫作為地球上儲量最豐富的元素之一，低成本的硫取代了昂貴的過渡金屬如鈷和某些有毒的過渡金屬化合物[15]。(3)低毒、環(huán)境友好。目前商用得鋰離子二次電池得正極一般含有重金屬元素，在回收循環(huán)使用得過程中，容易造成重金屬得泄露等問題，對自然環(huán)境和人類健康危害比較大。鋰硫電池正極硫污染小，生產(chǎn)操作危害小，利于大規(guī)模制造和回收再加工使用。1.2.2鋰硫電池工作的基本原理圖1-3鋰硫電池充放電曲線和活性硫在這個過程固-液-固轉(zhuǎn)化特征[17]Fig.1-3Charge-dischargecurveoflithium-sulfurbatteryandsolid-liquid-solidconversionprocessinvolvingactivematerials[17].鋰硫電池不同于傳統(tǒng)的嵌入與脫嵌、插入與脫插模式的鋰離子二次電池，而是通過正極單質(zhì)硫和負(fù)極鋰之間的化學(xué)能來儲存/釋放電能[16]。硫通常以不同結(jié)構(gòu)的多原子分子的形式存在，八環(huán)硫(S8)是室溫下硫最穩(wěn)定的同素異形體。其在發(fā)生還原反應(yīng)的過程中會轉(zhuǎn)化為一系列的中間產(chǎn)物，由于這些產(chǎn)物易溶于電解液這一特征，使得鋰硫電池在商業(yè)化上受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Concrete-like high sulfur content cathodes with enhanced electrochemical performance for lithium-sulfur batteries[J]. Bolan Gan,Kaikai Tang,Yali Chen,Dandan Wang,Na Wang,Wenxian Li,Yong Wang,Hao Liu,Guoxiu Wang.  Journal of Energy Chemistry. 2020(03)



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