由于鋰硫電池的能量密度是傳統(tǒng)鋰離子電池的幾倍,在過去的幾十年研究過程中,鋰硫電池引起了人們極大的關(guān)注,除此以外鋰硫電池成本低,對(duì)環(huán)境無污染。然而,由于多硫化鋰的溶解、硫的導(dǎo)電性差和穿梭現(xiàn)象,鋰硫電池的商業(yè)化應(yīng)用受到了阻礙。為了克服這些缺點(diǎn),科學(xué)家們提出了各種方法,比如優(yōu)化電解質(zhì),合成硫/聚合物復(fù)合電極、硫/碳復(fù)合電極和硫/金屬有機(jī)骨架（MOF）復(fù)合電極,來構(gòu)造新穎的電池結(jié)構(gòu)。此外,還有其他方法來提高鋰硫電池的性能,例如采用適當(dāng)?shù)某浞烹姉l件,在硫分子中摻雜原子,使用不同種類的電解質(zhì)和粘合劑。本文主要開展了對(duì)過渡金屬硫化物與聚合物復(fù)合作為鋰硫電池正極材料的研究。采用靜電紡絲法制備了具有孔道結(jié)構(gòu)的FeS₂@碳纖維納米復(fù)合材料,這種電極材料由三維互連的多孔道碳纖維構(gòu)成,有利于電子和離子的擴(kuò)散。FeS₂納米粒子分布在碳纖維的內(nèi)壁,阻止了電化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的多硫化物的溶解。研究FeS₂的不同比例對(duì)材料表面形貌、結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響規(guī)律。使用X射線衍射分析（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、X射線光電子能譜... 

【文章來源】：遼寧科技大學(xué)遼寧省

【文章頁(yè)數(shù)】：56 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

鋰硫電池和鋰離子電池容量密度和能量密度的比較

遼寧科技大學(xué)碩士學(xué)位論文3圖1.2兩種鋰硫電池的原理圖Fig1.2SchematicdiagramsoftwokindsofLi-Sbatteries.在放電過程中，鋰失去電子被氧化成鋰離子，鋰離子將自發(fā)地從負(fù)極遷移到正極，并與硫正極材料反應(yīng)，同時(shí)，電子通過外接電路傳導(dǎo)出去，硫接受鋰離子和電子，被還原為硫化鋰。放電過程中發(fā)生的反應(yīng)用以下公式表示，充電過程的反應(yīng)與之相反。負(fù)極：2Li→2Li++2e-正極：S+2Li++2e-→Li2S雖然公式描述的反應(yīng)非常簡(jiǎn)單，但它是一種理想的情況，只出現(xiàn)在固態(tài)鋰硫電池中。在大多數(shù)液態(tài)鋰硫電池中，真正的反應(yīng)過程是多步驟的，這比看起來要復(fù)雜得多。硫以S8分子的形式存在，因?yàn)樗窃谑覝叵伦罘�(wěn)定的結(jié)構(gòu)。在放電過程中，存在大量的中間產(chǎn)物（Li2Sn，2<n<8），它們會(huì)溶于電解液中，會(huì)產(chǎn)生所謂的“穿梭效應(yīng)”，減少活性物質(zhì)的利用率。在鋰硫電池的實(shí)際反應(yīng)過程中，多硫化物的電化學(xué)還原過程實(shí)際上是非常復(fù)雜的。多硫化物在反應(yīng)過程中共存，不同的電解液組成和電極材料也會(huì)有不同的反應(yīng)過程。因此，對(duì)鋰硫電池的詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理需要更深入地研究。1.2.2鋰硫電池在發(fā)展中存在的問題雖然鋰硫電池具有能量密度大、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但仍存在許多困擾研究者的問題，這將阻礙其商業(yè)化應(yīng)用[38-40]。根據(jù)鋰硫電池的反應(yīng)機(jī)理和大量的研究成果，影響鋰硫電池電化學(xué)穩(wěn)定性能的因素主要有以下幾個(gè)。首先，硫和其最終放電產(chǎn)物L(fēng)i2S的電導(dǎo)率很低（硫的電導(dǎo)率5×10-30Scm-1），這將導(dǎo)致活性物質(zhì)不可逆利用和比容量衰減。因此，有必要加入適量的導(dǎo)電添加劑，并與活性物質(zhì)進(jìn)行完全均勻的混合，來確保良好的電子擴(kuò)散以提高活性物質(zhì)利用率，提高電極的反應(yīng)效率，改善循環(huán)性能[41,42]。最常用的導(dǎo)電添加劑是具有高比表面積的多孔碳[43-45]，這?

孔徑較大的介孔碳可以進(jìn)一步提高電極材料中硫的含量。大孔碳是促進(jìn)電解質(zhì)擴(kuò)散的理想選擇，它主要來源于碳納米管（CNTs）或碳納米纖維（CNFS）[65]。此外，還可以在CNTs或CNFS表面進(jìn)一步修飾微孔或中孔，從而合成具有分級(jí)孔結(jié)構(gòu)的多孔碳材料[66]。研究表明，分級(jí)多孔碳綜合了這三種多孔碳材料的優(yōu)點(diǎn)，可以進(jìn)一步提高鋰硫電池的電化學(xué)性能。鋰硫電池中常用的碳材料是微孔碳[59]、介孔碳[67-69]、分級(jí)多孔碳[70-72]、碳黑[73]、空心碳球[72,74,75]、碳納米管[76-78]、碳納米纖維[79,80]和石墨烯[81]。圖1.3由碳納米纖維支撐的碳管形成的中孔碳（CMK-3）Fig1.3Mesoporouscarbon(CMK-3)formedbycarbontubessupportedbycarbonnanofibers（1）微孔碳采用微孔碳作為硫的載體，由于微孔足夠小，可以穩(wěn)定硫分子和多硫化物，從而避免了多硫化物的溶解，同時(shí)微孔碳可以提高活性材料的導(dǎo)電率，所以活性物質(zhì)的利用率相對(duì)較高。微孔碳球?qū)α蚧蚨嗔蚧锓肿佑休^強(qiáng)的吸附能力，使硫或多硫化物滯留在微孔的內(nèi)部空間，從而限制了硫和鋰離子之間的電化學(xué)反應(yīng)。結(jié)果表明，微孔碳球/硫復(fù)合電極具有很長(zhǎng)的循環(huán)壽命，即使經(jīng)過500次循環(huán)，仍可保留660mAhg-1的高可逆容量。近年來，微孔碳材料的發(fā)展加速了鋰硫電池用較小的硫分子作為正極材料的應(yīng)用。Gu等人[82]在導(dǎo)電微孔碳載體中合成了S2-4亞穩(wěn)小分子，并系統(tǒng)地測(cè)試了其電化學(xué)性能。采用微孔碳/S2-4復(fù)合電極可避免從S8到可溶性多硫化物的轉(zhuǎn)變。因此，可以完全避免多硫化物的穿梭現(xiàn)象。S2-4小于0.6nm，而S5-8大于0.6nm，導(dǎo)電微孔碳的孔徑僅為0.6nm。因此，當(dāng)硫和導(dǎo)電微孔碳的混合物在165℃時(shí)，S8變成較小的S2-4分子或S5-8分子，并擴(kuò)散到微孔碳中。當(dāng)較小的S2-4分


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