【摘要】：人們?yōu)樽非笄鍧嵉�、可持續(xù)的能源來(lái)替代傳統(tǒng)石油等不可再生的能源,電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)已備受關(guān)注。但鋰離子電池因較低的能量密度已不能滿足迅速發(fā)展的市場(chǎng)的需求。鋰硫電池因其超高的理論比容量(1675 mAh/g)和超高的理論能量密度(2600 Wh/kg)而在下一代的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)廣受青睞。但鋰硫電池因快速的容量衰減而未能被應(yīng)用到市場(chǎng)。為此,研究者探究各種方法來(lái)將多硫化物“束縛”在正極,進(jìn)而削弱穿梭效應(yīng)。本文中,我們通過(guò)制備層級(jí)孔二維碳材料來(lái)提高鋰硫電池的電化學(xué)性能。首先,我們采用廉價(jià)的聚丙烯酸鈉原料制備了高比表面積的層級(jí)孔二維碳材料,多孔結(jié)構(gòu)不僅能利用物理作用阻礙多硫化物的擴(kuò)散,又利用還原的氧化石墨烯包覆碳硫復(fù)合物,石墨烯上存在的含氧官能團(tuán)可通過(guò)化學(xué)作用與多硫化物結(jié)合,可以阻礙多硫化物的穿梭,改善容量的衰減程度。故在1C的電流密度下,還原氧化石墨烯包覆碳硫復(fù)合物首次放電比容量達(dá)1074 mAh/g。再者,我們用葡萄糖與三聚氰胺提供碳源與氮源、用氯化鈉作為模板,硝酸鐵為催化劑制備了氮摻雜的碳納米片。氮原子的摻雜能夠通過(guò)化學(xué)作用與多硫化物之間形成LiS_xLi~+---N鍵,抑制多硫化物從正極流出。因此與未摻雜的材料相比,氮原子摻雜有效改善了電池的電化學(xué)性能。最后我們利用固相高溫煅燒法一步合成出一種金屬氧化物摻雜的多孔碳材料,金屬氧化物Mn_2O是極其不穩(wěn)定的,而經(jīng)過(guò)碳包覆后的Mn_2O穩(wěn)定存在在材料中。研究采用具有Mn_2O的多孔碳作為載硫體,不僅可以利用金屬氧化物的極性優(yōu)勢(shì)化學(xué)結(jié)合極性多硫化物來(lái)抑制其穿梭,同時(shí)其層級(jí)孔特點(diǎn)利用物理作用緩解多硫化物向電解液中擴(kuò)散,較少了單質(zhì)硫的損失。制備含有Mn_2O多孔碳材料為今后鋰硫電池的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
【圖文】：

圖 1.1 鋰硫電池結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1.1 Principle diagram of lithium-sulfur batteries的基本原理淡黃色固體，具有都很差的導(dǎo)電性與導(dǎo)熱性，較易溶在中不溶。硫有幾種同素異形體，其中菱形硫（熔點(diǎn)在 11在 119.0 ℃），均以一種八元環(huán)狀態(tài)存在。在加熱時(shí)，硫高而降低到一定程度，溫度再升高時(shí)，粘度會(huì)因八元環(huán)的又因八元長(zhǎng)鏈的斷裂而降低。這些特性給研究者們?cè)谔骄恐匾罁?jù)。a）為鋰硫電池的工作機(jī)理圖，總的電化學(xué)反應(yīng)e-→ Li2S。放電時(shí)，S 單質(zhì)被還原，，與 Li 離子形成硫化在當(dāng)充電式，Li2S 又被可逆的氧化為單質(zhì) S[8, 9]。但在實(shí)是十分復(fù)雜的，存在許多副反應(yīng)。如圖 1.2（b）所示，我物多硫化物的特點(diǎn)，將其充放電曲線可被大致分為四個(gè)

和 Li2S 若沉積在電極表面會(huì)嚴(yán)重影響電池的電化學(xué)性能。在這四個(gè)階段的反應(yīng)中，第一階段和第二階段由于生成的長(zhǎng)鏈多硫化鋰在電解液中有較高溶解度，所以在充放電過(guò)程中會(huì)發(fā)生中間產(chǎn)物的來(lái)回穿梭，并且進(jìn)入電解質(zhì)中的多硫化物在進(jìn)行充電時(shí)不能全部回到硫電極繼續(xù)參與充放電過(guò)程，故鋰硫電池會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的活性物質(zhì)損失和高的自放電率。第三過(guò)程是提供鋰硫電池容量的重要部分，此階段的平臺(tái)越長(zhǎng)貢獻(xiàn)的容量越高，因此此平臺(tái)是容量是否衰減的體現(xiàn)。當(dāng)然，電池復(fù)雜的電化學(xué)的氧化還原反應(yīng)也受溫度、濕度、溶劑等因素的影響。當(dāng)充電時(shí)，Li2S 被氧化而相繼產(chǎn)生短鏈多硫化物和長(zhǎng)鏈多硫化物，進(jìn)而氧化為八元環(huán)的硫。但由于穿梭效應(yīng)的影響和生成的多硫化物很難完全氧化為硫單質(zhì)，因此充電反應(yīng)變得更復(fù)雜。從圖 1.2（b）中的充電曲線能夠觀察到，充電電壓在一開(kāi)始急劇上升是因?yàn)榱螂姌O表面的硫化鋰鈍化層的極化。中間部分的兩個(gè)充電平臺(tái)重合在一起形成一個(gè)稍斜的斜線，其過(guò)程對(duì)應(yīng)著 Li2S 通過(guò)中間產(chǎn)物多硫化物而向單質(zhì)硫形成的反應(yīng)。之后電壓有繼續(xù)快速上升，其也歸因于中間產(chǎn)物的穿梭現(xiàn)象。
【學(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM912;O613.71

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本文編號(hào)：2659336