本文關(guān)鍵詞：基于超順排碳納米管的鋰硫電池研究

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【摘要】：鋰硫電池具有高理論比容量(1675 m Ah/g)、高比能量(2600 Wh/kg)、環(huán)境友好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),具有極大的應(yīng)用潛力。然而,鋰硫電池的含硫正極材料具有以下問(wèn)題:(1)單質(zhì)硫及其放電產(chǎn)物高度絕緣;(2)放電過(guò)程中生成可溶的多硫化物,造成穿梭效應(yīng);(3)充放電過(guò)程中的體積變化破壞電極結(jié)構(gòu)。上述問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致鋰硫電池電化學(xué)性能下降,阻礙鋰硫電池的大規(guī)模商業(yè)化。針對(duì)鋰硫電池存在的問(wèn)題,本文基于超順排碳納米管設(shè)計(jì)、制備了硫/碳復(fù)合正極材料,研究了含硫量和表面活性劑對(duì)電極電化學(xué)性能的影響;提出了多級(jí)孔道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路,制備硫/納米石墨/石墨烯/超順排碳納米管復(fù)合材料,研究了其中的碳材料對(duì)形貌、結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響;具體研究結(jié)果如下:(1)用超聲輔助共沉積和真空抽濾法制備了新型、柔性、獨(dú)立成膜的硫/超順排碳納米管復(fù)合材料。超順排碳納米管提供了導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和力學(xué)支撐骨架,束縛硫顆粒和多硫化物,且孔隙開(kāi)放便于電解液滲透,提高了材料的電化學(xué)性能。(2)硫/超順排碳納米管復(fù)合材料的電化學(xué)性能受表面活性劑和含硫量的影響。表面活性劑令硫顆粒均勻分散,提高了活性物質(zhì)利用率,縮短電子傳輸途徑;含硫量低的樣品電化學(xué)性能較好。制備了含硫量為35%的硫/超順排碳納米管復(fù)合材料,在0.5C、1C、2C和5C的首圈放電比容量分別為1589 m Ah/g、1294m Ah/g、1007 m Ah/g和742 m Ah/g;1C下循環(huán)200圈后比容量還有438 m Ah/g,優(yōu)于商用鋰離子電池比容量。(3)設(shè)計(jì)了多級(jí)孔道的新型結(jié)構(gòu),即硫/納米石墨/石墨烯/超順排碳納米管:由納米石墨提供納米級(jí)導(dǎo)電通道,并用孔隙和大的比表面積束縛硫和多硫化物;由超順排碳納米管提供微米級(jí)導(dǎo)電通道,納米石墨顆粒和硫顆粒附著在碳管上,形成短程和長(zhǎng)程結(jié)合的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò);由石墨烯提供硫/碳包覆結(jié)構(gòu),片狀石墨烯包覆住碳管、納米石墨及硫顆粒,有助于阻礙多硫化物溶解;最后,在垂直方向形成微米尺度的層級(jí)結(jié)構(gòu),有利于容納充放電的體積膨脹。(4)多級(jí)孔道復(fù)合材料在1C下進(jìn)行超長(zhǎng)循環(huán)充放電測(cè)試,其庫(kù)倫效率始終大于99.8%,首次放電比容量達(dá)到951 m Ah/g,循環(huán)1000圈后比容量仍有381 m Ah/g,為初始值的40.1%,實(shí)現(xiàn)了超低比容量衰減率(平均每圈衰減0.0599%),兼顧了高比容量和高循環(huán)穩(wěn)定性,有很好的應(yīng)用前景。
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TM912;TB383.1

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本文編號(hào)：1181233