本文關(guān)鍵詞：多孔碳材料的制備及其在鋰硫電池中的應(yīng)用

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【摘要】：隨著當今社會的發(fā)展,能源消耗和環(huán)境問題向我們的社會提出了巨大的挑戰(zhàn)。因此,發(fā)展具有高安全、高能量密度和環(huán)境友好的可充電鋰離子電池是現(xiàn)代社會發(fā)展的重要組成部分。最近一些年,鋰硫電池由于具有高的理論能量密度,高的比容量,硫單質(zhì)還具有無毒,儲存量大,價格低廉等優(yōu)點引起了研究者的廣泛關(guān)注。多孔碳材料由于具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、大的表面積和豐富的孔洞結(jié)構(gòu)及很強的吸附能力而作為硫的碳基底被廣泛應(yīng)用于鋰硫電池中。本論文,通過使用幾種來源廣,價格低廉的碳源,通過簡單的方法制備出了多種高產(chǎn)率的多孔碳材料并應(yīng)用于鋰硫電池中。論文的主要成果如下所示：(1)通過炭化玉米芯廢棄物,接著將碳化產(chǎn)物用氫氧化鉀作為活化劑活化后,得到了具有大的比表面積的納米片狀微孔碳(PCNS)。PCNS作為硫的導(dǎo)電基底與硫通過熱復(fù)合的方法制備出了硫／納米片狀微孔碳(S/PCNS)復(fù)合物正極材料應(yīng)用于鋰硫電池中,硫含量為44%的S/PCNS復(fù)合材料的初次的放電比容量高達1600 mAh/g,循環(huán)50圈后容量還能保持在554 mAh/g.電池性能的優(yōu)越性歸因于高度多孔的納米片狀結(jié)構(gòu),其納米片狀結(jié)構(gòu)能夠提供穩(wěn)定和持續(xù)快速的離子傳輸路徑,多孔結(jié)構(gòu)可以減少中間產(chǎn)物聚硫化物的溶解和減少“穿梭效應(yīng)”的發(fā)生。PCNS的大比表面積可以提高硫的利用率。(2)以廢棄的佛手渣作為碳源,通過炭化、活化后制備出了具有大比表面積和發(fā)達孔隙結(jié)構(gòu)的佛手渣活性炭(FAC),佛手渣活性炭具有3157 m2/g的比表面積和2.162 cm3儋的孔容,并且其還具有部分片狀結(jié)構(gòu)。FAC與硫通過熱復(fù)合的方法制備出了S/FAC復(fù)合物正極材料并應(yīng)用于鋰硫電池中。制備出的較大的比表面積的多級多孔碳(FAC)有利于正極材料更好的滲透于電解液中,這可以提高的硫的利用率和電池的倍率性能。硫含量為52%的S/FAC復(fù)合物正極材料在0.2C的電流密度下的初始放電容量高達1311mAh/g,循環(huán)50、100圈后,放電容量還能分別達到818mAh/g、657mAh/g。(3)通過一種簡單的方法直接碳化己二酸和鋅粉的混合物,沒有進一步通過物理或化學(xué)活化處理制備出了具有高比表面積(2166 m2/g)和非常大的孔容(4.09 cm3/g)的等級多孔碳(PCNS)。這種介孔碳呈現(xiàn)出了一種自組裝的花狀結(jié)構(gòu),它是由一些具有膠囊狀孔徑在15納米左右的多孔納米片組成。通過傳統(tǒng)熱復(fù)合的方法,將等級多孔碳(PCNS)與硫均勻復(fù)合形成S/PCNS復(fù)合物材料。獲得的這種S/PCNS復(fù)合物材料,用它作為鋰硫電池的正極,其表現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學(xué)性能。當S/PCNS復(fù)合物材料的硫含量為62%時,在倍率為0.2C下的其初始可逆容量高達1384 mAh/g和優(yōu)越的循環(huán)性能,循環(huán)100圈后還能保持657 mAh/g的可逆容量。
【關(guān)鍵詞】：鋰硫電池 生物質(zhì)碳 電化學(xué)性能 納米片 微孔碳 介孔碳
【學(xué)位授予單位】：浙江師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TM912
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 緒論10-22
• 1.1 引言10-11
• 1.2 鋰硫電池11-14
• 1.2.1 鋰硫電池概述11-12
• 1.2.2 鋰硫電池工作原理12-13
• 1.2.3 鋰硫電池面臨的挑戰(zhàn)和解決方案13-14
• 1.3 硫/多孔碳復(fù)合材料14-19
• 1.3.1 硫/微孔碳復(fù)合物15-16
• 1.3.2 硫/介孔碳復(fù)合物16-17
• 1.3.3 硫/分級多孔碳復(fù)合材料17-18
• 1.3.4 硫/生物質(zhì)活性炭18-19
• 1.4 選題依據(jù)和主要實驗內(nèi)容19-22
• 第二章 實驗儀器及方法22-26
• 2.1 實驗材料及儀器22-24
• 2.1.1 實驗材料22
• 2.1.2 實驗儀器22-24
• 2.2 材料形貌和結(jié)構(gòu)的表征24-25
• 2.2.1 X射線衍射(XRD)測試24
• 2.2.2 掃描電子顯微鏡(SEM)測試24
• 2.2.3 透射電子顯微鏡(TEM)測試24
• 2.2.4 熱重分析(TGA)測試24
• 2.2.5 氮氣吸脫附(BET)測試24-25
• 2.2.6 Raman測試25
• 2.3 電化學(xué)性能測試25-26
• 2.3.1 電池的組裝25
• 2.3.2 電池充放電測試25
• 2.3.3 電池循環(huán)伏安(CV)測試25
• 2.3.4 交流阻抗(EIS)測試25-26
• 第三章 納米片狀微孔玉米芯活性炭在鋰硫電池中的應(yīng)用26-38
• 3.1 引言26-27
• 3.2 實驗部分27-28
• 3.2.1 玉米芯活性炭的制備27
• 3.2.2 硫/玉米芯活性炭復(fù)合材料的制備27-28
• 3.2.3 電極材料的制備28
• 3.3 結(jié)果與討論28-36
• 3.3.1 硫/玉米芯活性炭復(fù)合材料的形貌、結(jié)構(gòu)表征28-34
• 3.3.2 硫/玉米芯活性炭復(fù)合材料的電化學(xué)分析34-36
• 3.4 本章小結(jié)36-38
• 第四章 來源于佛手的高孔隙多孔碳在鋰硫電池中的應(yīng)用38-48
• 4.1 引言38-39
• 4.2 實驗過程39
• 4.2.1 佛手渣活性炭的制備39
• 4.2.2 硫/佛手渣活性炭復(fù)合材料的制備39
• 4.2.3 電極的制備39
• 4.3 硫/佛手渣活性炭復(fù)合材料的物性表征及電池性能39-46
• 4.3.1 硫/佛手活性炭復(fù)合材料的形貌、結(jié)構(gòu)表征39-44
• 4.3.2 佛手渣活性炭/硫復(fù)合材料的電化學(xué)分析44-46
• 4.4 本章小結(jié)46-48
• 第五章 超大孔容自組裝等級結(jié)構(gòu)納米片狀介孔碳在鋰硫電池中的應(yīng)用48-58
• 5.1 引言48-49
• 5.2 實驗部分49-50
• 5.2.1 納米片狀介孔碳PCNS的合成49
• 5.2.2 S/CNS復(fù)合物的合成49-50
• 5.2.3 電極的制備50
• 5.3 結(jié)果與討論50-57
• 5.3.1 己二酸和鋅粉的降解過程50
• 5.3.2 PCNS的SEM和TEM圖像分析50-51
• 5.3.3 S/PCNS復(fù)合物的XRD和TG分析51-52
• 5.3.4 S/PCNS復(fù)合物的SEM和TEM分析52-53
• 5.3.5 PCNS和S/PCNS復(fù)合物的氣體吸附分析53-54
• 5.3.6 S/PCNS復(fù)合材料的電化學(xué)分析54-57
• 5.4 本章小結(jié)57-58
• 第六章 結(jié)論與展望58-60
• 參考文獻60-70
• 致謝70-72
• 攻讀碩士學(xué)位期間成果72-76

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