本文關鍵詞：網絡結構碳硫復合材料及其性能研究

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【摘要】：隨著電子產品和電動工具的快速發(fā)展,下一代可再充放電電池需要擁有更高的容量和能量密度。鋰硫電池作為高能量密度儲源(2600 Wh·Kg-1)和持續(xù)的電動汽車的用電設備,目前吸引了越來越多的關注。同時單質硫還具有成本低、屬環(huán)境友好型材料、地球儲藏量高等優(yōu)良特性。但是,硫不同于常規(guī)的插層陰極材料,幾乎無導電性,在循環(huán)過程中硫經歷一系列的組成和結構的變化,包括可溶的多硫化物、不溶的硫化物以及體積膨脹。這些現象導致活性物質損失,最終導致循環(huán)過程容量嚴重衰減。本論文綜述了鋰硫電池正極材料的特點及最新研究進展,以改善硫正極材料的缺陷為目的,通過將硫與導電碳材料進行復合,制備了一系列新型碳硫復合材料,并對其微觀結構和電化學性能做了一些研究,具體工作有以下幾個方面:(1)采用一步水熱法成功制備了三維多孔結構的石墨烯氣凝膠負載納米硫復合材料,研究了水熱反應條件對石墨烯/硫復合材料的電化學性能影響。采用XRD、SEM、TEM和XPS等測試手段對材料的微觀結構進行表征,通過電池測試儀和電化學工作站等對正極材料進行電化學性能分析,探討了石墨烯上的含氧官能與硫納米顆粒之間的作用以及復合材料的微觀形貌對電化學性能的影響。研究結果表明,水熱反應溫度對硫顆粒尺寸、負載硫、石墨烯有序度及兩者之間的鍵合作用有重要影響。180℃水熱反應樣品經歷50次循環(huán)后仍有高達716.2m Ah·g-1的比容量,并在大電流密度下仍有較高的容量發(fā)揮。(2)通過原位聚合和靜電吸引的方法合成出一種具有雙殼型結構的硫@聚苯胺@石墨烯復合材料。首先,我們通過原位聚合的方法在單質硫顆粒的表面生長一層納米尺度的聚苯胺;再通過靜電吸引的方法在其表面包覆氧化石墨烯,得到具有雙殼結構的碳硫復合材料。通過對復合材料的微觀結構、硫的負載量及電化學性能的表征與分析,探討了雙殼結構潛在的電化學性能優(yōu)勢。研究結果表明,硫@聚苯胺@石墨烯復合材料具有非常好的包覆效果,聚苯胺層能夠增加材料內部的導電性,石墨烯層具有優(yōu)異的化學穩(wěn)定性。將其作為鋰硫電池正極材料,在100m A·g-1電流密度下經過50次循環(huán)后仍有847.3 m Ah·g-1的比容量。且在0.5A·g-1和1 A·g-1電流密度下充放電,也有694.7 m Ah·g-1和380.4 m Ah·g-1的比容量。(3)以功能化碳纖維布為骨架,液相載硫得到碳纖維布/納米硫復合材料。通過對復合材料進行FTIR、SEM、XPS以及電化學性能分析,探討比較了改性前后正極材料的電化學性能。研究結果表明,化學改性后的碳纖維布表面含有大量含氧官能團,水熱反應過程中與單質硫形成了價鍵結合作用,可有效抑制多硫化物溶解于電解液造成活性物質的損失,50次充放電循環(huán)后仍有968.1m Ah·g-1的放電比容量,顯示出良好的循環(huán)性能和潛在的應用前景。
【關鍵詞】：鋰硫電池 碳硫復合材料 石墨烯 雙殼結構 碳纖維布
【學位授予單位】：上海大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TB33;TM912
【目錄】：

• 摘要6-8
• Abstract8-12
• 第一章 緒論12-27
• 1.1 引言12-13
• 1.2 鋰硫電池體系概述13-17
• 1.2.1 鋰硫電池簡介13-14
• 1.2.2 鋰硫電池的工作原理14-16
• 1.2.3 鋰硫電池發(fā)展面臨的主要問題16-17
• 1.3 鋰硫電池發(fā)展現狀17-25
• 1.3.1 碳/硫復合材料17-20
• 1.3.2 聚合物/金屬氧化物包覆型復合材料20-23
• 1.3.3 石墨烯/硫復合材料23-25
• 1.4 本課題的研究內容及意義25-27
• 第二章 實驗材料與儀器27-33
• 2.1 材料的制備合成27-29
• 2.1.1 原料和試劑27-28
• 2.1.2 氧化石墨烯的制備28-29
• 2.2 材料表征方法與儀器29-31
• 2.2.1 X射線衍射分析儀（X-Ray Diffraction）29
• 2.2.2 掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope)29-30
• 2.2.3 透射電子顯微鏡(Transmission Eectron Microscope)30
• 2.2.4 熱重分析儀（Thermogravimetry）30
• 2.2.5 傅立葉變換紅外光譜儀(Fourier Transform Infrared)30
• 2.2.6 拉曼光譜儀 (Raman)30-31
• 2.2.7 X射線光電子能譜儀(XPS)31
• 2.3 電化學性能測試31-33
• 2.3.1 電極的制備31
• 2.3.2 電池的組裝31-32
• 2.3.3 電性能測試系統32-33
• 第三章 三維多孔石墨烯氣凝膠負載納米硫復合材料制備及電化學性能研究33-44
• 3.1 引言33-34
• 3.2 實驗部分34
• 3.3 實驗結果與討論34-43
• 3.3.1 XRD測試分析34-35
• 3.3.2 TGA測試數據35-36
• 3.3.3 Raman測試數據36-37
• 3.3.4 SEM測試數據37-38
• 3.3.5 TEM測試數據38-39
• 3.3.6 XPS測試數據39-40
• 3.3.7 電化學性能測試數據40-43
• 3.4 本章小結43-44
• 第四章 雙殼型硫/聚苯胺/石墨烯復合材料的制備及電化學性能研究44-55
• 4.1 引言44-45
• 4.2 實驗部分45-46
• 4.2.1 復合材料的制備45
• 4.2.2 電極的制備45-46
• 4.3 實驗結果與討論46-54
• 4.3.1 XRD測試數據47
• 4.3.2 TGA測試數據47-48
• 4.3.3 FTIR測試數據48-49
• 4.3.4 SEM&TEM測試數據49-50
• 4.3.5 XPS測試數據50
• 4.3.6 電化學性能測試數據50-53
• 4.3.7 S@PANI@GO復合材料不同含硫量的性能比較53-54
• 4.4 本章小結54-55
• 第五章 碳纖維布負載納米硫復合材料的制備及電化學性能研究55-65
• 5.1 引言55-56
• 5.2 實驗部分56-57
• 5.2.1 復合材料的制備56
• 5.2.2 電極制備56-57
• 5.3 實驗結果與討論57-64
• 5.3.1 FTIR測試數據57-58
• 5.3.2 XRD測試數據58
• 5.3.3 Raman測試數據58-59
• 5.3.4 TGA測試數據59-60
• 5.3.5 SEM測試數據60-61
• 5.3.6 XPS測試數據61-62
• 5.3.7 電化學性能測試數據62-64
• 5.4 本章小結64-65
• 第六章 結論與展望65-68
• 6.1 結論65-66
• 6.2 展望66-68
• 參考文獻68-77
• 作者攻讀碩士學位期間公開發(fā)表的論文、專利、科技成果77-78
• 致謝78

【參考文獻】

中國期刊全文數據庫 前1條

1 倪維斗,鄭洪_",李政,江寧;多聯產系統:綜合解決我國能源領域五大問題的重要途徑[J];動力工程;2003年02期

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本文編號：1074037