【摘要】：鋰硫電池具有理論比容量高、成本低、環(huán)境友好等優(yōu)點，被公認為最有前景的下一代二次電池之一。硫正極材料作為鋰硫電池的重要組成部分，直接決定了鋰硫電池的性能。本論文通過對鋰硫電池正極材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計、改性和制備一體化研究，得到了電化學性能較好的正極材料，為鋰硫電池的應(yīng)用研究提供了重要參考。 采用超聲輔助化學沉積法和真空抽濾法制備了石墨烯-硫(RGO-S)正極材料，研究了硫含量對RGO-S正極材料電化學性能影響。采用SEM、TEM、XRD、比表面積分析儀、電池測試儀和電化學工作站等對正極材料微觀形貌、晶型結(jié)構(gòu)、比表面積、導電率與電化學性能進行了表征和分析，探討了電極結(jié)構(gòu)與電化學性能之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明，，所制備的RGO-S正極材料具有石墨烯包覆硫的結(jié)構(gòu)、較高的比表面積和導電率。當硫含量為26%時，0.1C倍率下，首次放電比容量可達1250mAh·g-1sulfur，50次充放電循環(huán)后仍保持598mAh·g-1sulfur。RGO包覆硫縮短了電子的傳輸路徑、提高了硫的反應(yīng)活性和化學反應(yīng)動力學速率；并且通過RGO的包覆和吸附作用限制了循環(huán)過程中間產(chǎn)物多硫化鋰的擴散和遷移，減緩了穿梭效應(yīng)，使得電極材料具有較高的比容量、較好的循環(huán)性能和倍率性能。 利用經(jīng)酸化處理的碳纖維(FCNFs)對RGO-S正極材料進行改性。采用化學沉積法制備了一維管殼狀FCNFs-S材料，并以之為前驅(qū)體制備了具有同軸包覆結(jié)構(gòu)的RGO-S-FCNFs正極材料，通過對FCNFs增強改性前后正極材料微觀形貌、晶型結(jié)構(gòu)、導電率與電化學性能的表征和分析，探討了FCNFs對RGO-S正極材料的增強改性機制。研究結(jié)果表明，硫含量為33%時，1C倍率下，首次放電比容量可達745mAh·g-1sulfur，1500次充放電循環(huán)后保持273mAh·g-1sulfur，具有極好的高倍率長循環(huán)穩(wěn)定性。RGO和FCNFs的共同作用能夠有效提高RGO-S正極材料的電導率；RGO-S-FCNFs的同軸包覆能夠使得硫及其循環(huán)過程中間產(chǎn)物多硫化鋰被包夾在石墨烯和FCNFs之間，抑制了硫的團聚，阻止了大顆粒硫的生成，降低了電極材料的內(nèi)部應(yīng)力和電荷轉(zhuǎn)移電阻，緩解了體積和穿梭效應(yīng)，從而高了RGO-S正極材料的比容量、循環(huán)性能和倍率性能。 采用水熱法和熱處理法制備了具有高硫含量和單位面積負載量的三維結(jié)構(gòu)FCNFs改性石墨烯-硫(3D-CGOS)正極材料。通過對FCNFs增強改性前后正極材料的微觀形貌、晶型結(jié)構(gòu)、導電率與電化學性能的表征和分析，探討了FCNFs對3D-GOS正極材料的增強改性機制。研究結(jié)果表明，在硫含量為80%，單位面積硫負載量為11.9mg·cm-2時，F(xiàn)CNFs增強改性后3D-GOS正極復合材料2C倍率下的可逆放電比容量從0.5mAh·cm-2cathode提高到3.1mAh·cm-2cathode。FCNFs增強改性提高了3D-GOS材料導電性能，縮短了電子的傳輸路徑、提高了硫的反應(yīng)活性和化學反應(yīng)動力學速率；并通過吸附作用將循環(huán)過程中間產(chǎn)物多硫化鋰限制在三維結(jié)構(gòu)內(nèi)部，減緩穿梭效應(yīng)；FCNFs改性提高了三維石墨烯的機械性能，緩解了循環(huán)過程中的體積效應(yīng)，降低了電極材料的內(nèi)應(yīng)力，進而改善電極材料的比容量、循環(huán)性能和倍率性能。
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【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TM912

【參考文獻】

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1 許曉雄;邱志軍;官亦標;黃禎;金翼;;全固態(tài)鋰電池技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望[J];儲能科學與技術(shù);2013年04期

本文編號：2312315