本文關(guān)鍵詞：金屬氧化物摻雜炭氣凝膠材料制備及在鋰硫電池中的應(yīng)用研究

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【摘要】：近些年來,鋰硫電池已經(jīng)成為備受世界各國研究工作者關(guān)注的下一代二次電池,因其正極硫單質(zhì)具有高達(dá)1675 mAh g~(-1)的理論容量,以及高達(dá)2600 Whkg~(-1)的理論能量密度,而且價格便宜、儲量大、環(huán)境無害等。就目前鋰硫電池的正極材料而言,硫-碳復(fù)合材料最具有前景,而且也取得了很大的研究成果,但同時也暴漏出了相關(guān)的問題,一是單質(zhì)硫的導(dǎo)電性差,隨著產(chǎn)生大量Li2S導(dǎo)致活性物質(zhì)的利用率下降。二是電池反應(yīng)的中間產(chǎn)物多硫化物容易溶解于電解液導(dǎo)致電極活性物質(zhì)減少,同時產(chǎn)生穿梭效應(yīng),從而出現(xiàn)了鋰硫電池的循環(huán)性能、低的庫倫效率和倍率性能較差,阻礙了其的商業(yè)化應(yīng)用。為了解決鋰硫電池硫電極在反應(yīng)過程中生成的多硫化物易溶解于電解液,設(shè)計并制備了金屬氧化物修飾的炭氣凝膠Mnx-CA和Cen-CA,由于納米金屬氧化物強(qiáng)的吸附作用可以有效地穩(wěn)固化多硫化物離子,并將其作為鋰硫電池硫電極的載體。同時使用場發(fā)射掃描電子顯微鏡、場發(fā)射透射電子顯微鏡、X射線光電子能譜、X射線衍射以及充放電測試等表征方法來對硫-碳復(fù)合物的元素構(gòu)成、晶體結(jié)構(gòu)、微觀形態(tài)以及電化學(xué)性能進(jìn)行了測試和結(jié)果的討論。結(jié)果表明,金屬氧化物修飾的碳材料作為鋰硫電池硫電極的載體在電池循環(huán)過程中能夠有效地抑制多硫化物的溶解,從而顯著地提高電池的循環(huán)性能和倍率性能。尤其當(dāng)碳載體中金屬氧化物與炭氣凝膠材料的摩爾比為0.02時表現(xiàn)出該條件下最優(yōu)的性能,電化學(xué)性能測試結(jié)果顯示,0.2 C倍率下,100次循環(huán)后,Mn2-CA/S復(fù)合物電極仍能保持976.3 mAh g~(-1)的放電比容量,而且在5 C的高倍率下仍然可以得到高達(dá)670.2mAhg~(-1)的首次放電容量,展現(xiàn)出較好的循環(huán)性能和倍率性能,表明氧化錳的修飾可以有效地吸附多硫化物。另外,二氧化鈰和碳?xì)饽z構(gòu)成的碳載體,同樣展現(xiàn)出優(yōu)良的循環(huán)性能和倍率性能,0.2 C倍率下,100次循環(huán)后,Ce2-CA/S復(fù)合物電極仍能保持1127.6mAh g~(-1)的放電比容量,且在5C的高倍率下仍然可以得到高達(dá)768.5mAhg~(-1)的首次放電容量。表明金屬氧化物的摻雜可以有效地穩(wěn)固化硫和抑制多硫化物的溶解,可以顯著提高復(fù)合物材料的電化學(xué)性能。
【關(guān)鍵詞】：氧化錳 二氧化鈰 鋰硫電池 抑制 倍率性能
【學(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TM912;TQ427.26
【目錄】：

• 致謝7-8
• 摘要8-9
• ABSTRACT9-16
• 第一章 緒論16-26
• 1.1 引言16-17
• 1.2 鋰硫電池概述17-20
• 1.2.1 鋰硫電池工作機(jī)理17-19
• 1.2.2 鋰硫電池存在的問題19-20
• 1.2.3 鋰硫電池缺陷的解決途徑20
• 1.3 鋰硫電池正極材料研究現(xiàn)狀20-24
• 1.3.1 活性碳/硫復(fù)合材料20
• 1.3.2 碳納米管/硫復(fù)合材料20-21
• 1.3.3 石墨烯/硫復(fù)合材料21
• 1.3.4 多孔碳/硫復(fù)合材料21-22
• 1.3.5 導(dǎo)電聚合物/硫復(fù)合材料22
• 1.3.6 有機(jī)硫化物正極材料22-23
• 1.3.7 硫化鋰正極材料23
• 1.3.8 雜原子摻雜炭/硫復(fù)合材料23
• 1.3.9 金屬氧化物/硫復(fù)合材料23-24
• 1.4 本課題研究目的與內(nèi)容24-25
• 1.5 本文的研究意義25-26
• 第二章 鋰硫電池組裝和復(fù)合物材料的性能表征26-31
• 2.1 實驗儀器、設(shè)備、試劑26
• 2.1.1 實驗儀器26
• 2.1.2 材料表征設(shè)備26
• 2.2 實驗試劑26-27
• 2.2.1 錳摻雜炭氣凝膠硫復(fù)合物材料實驗試劑26-27
• 2.2.2 鈰摻雜炭氣凝膠-硫復(fù)合物材料實驗試劑27
• 2.3 材料的表征27-29
• 2.3.1 X射線衍射(XRD)表征27-28
• 2.3.2 場發(fā)射掃描電子顯微鏡表征28
• 2.3.3 場發(fā)射透射電子顯微鏡表征28
• 2.3.4 X射線光電子能譜(XPS)表征28
• 2.3.5 比表面積測試28-29
• 2.3.6 元素分析29
• 2.4 材料的電化學(xué)性能測試29-31
• 2.4.1 硫正極的制備步驟29
• 2.4.2 鋰硫電池電解液配置29
• 2.4.3 鋰硫電池的組裝29-30
• 2.4.4 恒電流充放電測試30
• 2.4.5 交流阻抗測試30
• 2.4.6 循環(huán)伏安測試30-31
• 第三章 鈰摻雜炭氣凝膠的制備及性能研究31-46
• 3.1 引言31-32
• 3.2 實驗過程32
• 3.2.1 鈰摻雜炭氣凝膠復(fù)合材料的合成32
• 3.2.2 硫碳復(fù)合材料的制備(Cen-CA/S)32
• 3.3 結(jié)果與討論32-44
• 3.3.1 鈰摻雜炭氣凝膠材料的XRD分析32-33
• 3.3.2 鈰摻雜炭氣凝膠材料的SEM和TEM分析33-36
• 3.3.3 硫碳復(fù)合物的XPS分析36-37
• 3.3.4 氮?dú)馕綔y試37-38
• 3.3.5 材料的充放電性能測試38-39
• 3.3.6 材料的循環(huán)伏安測試39-40
• 3.3.7 復(fù)合物電極的循環(huán)性能測試40-41
• 3.3.8 材料的倍率性能測試41-43
• 3.3.9 材料的交流阻抗測試43-44
• 3.4 本章小結(jié)44-46
• 第四章 錳摻雜炭氣凝膠的制備及性能研究46-58
• 4.1 引言46-47
• 4.2 實驗過程47
• 4.2.1 炭氣凝膠材料的合成47
• 4.2.2 錳摻雜炭氣凝膠復(fù)合材料的制備47
• 4.2.3 硫碳復(fù)合材料的制備(Mnx-CA/S)47
• 4.3 結(jié)果與討論47-56
• 4.3.1 錳摻雜炭氣凝膠材料的XRD分析47-48
• 4.3.2 錳摻雜炭氣凝膠材料的SEM和TEM分析48-50
• 4.3.3 硫碳復(fù)合物的XPS分析50-51
• 4.3.4 復(fù)合物電極的充放電性能測試51-52
• 4.3.5 復(fù)合物電極的循環(huán)伏安測試52-53
• 4.3.6 復(fù)合物電極的循環(huán)性能測試53-54
• 4.3.7 復(fù)合物電極的倍率性能測試54-55
• 4.3.8 復(fù)合物電極的交流阻抗測試55-56
• 4.4 本章小結(jié)56-58
• 第五章 結(jié)論58-60
• 參考文獻(xiàn)60-68
• 攻讀碩士期間的成果68

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