【摘要】：近年來(lái),由于人類不斷開(kāi)采,化石燃料嚴(yán)重緊缺,環(huán)境污染日益加劇,人們對(duì)新能源的需求迫在眉睫。鋰離子電池由于具有高能量密度、安全穩(wěn)定,無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)成為新一代的高能綠色儲(chǔ)能材料。鋰離子電池已經(jīng)在手機(jī)、相機(jī)、筆記本等小型電子設(shè)備上實(shí)現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用。由于鋰離子電池正極材料的理論比容量較低,即使進(jìn)一步的探究,也無(wú)法從根本上解決問(wèn)題,難以實(shí)現(xiàn)高能量密度,更難以滿足電動(dòng)汽車、智能電網(wǎng)、儲(chǔ)能設(shè)備等其它領(lǐng)域的應(yīng)用要求。鋰硫電池由于其優(yōu)異的理論比容量而受到研究者的青睞。此外,硫元素儲(chǔ)量十分豐富、價(jià)格低廉、無(wú)毒,與其他正極材料相比具有很大的優(yōu)勢(shì)。然而,在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)鋰硫電池存在著幾個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn):(1)硫及其放電產(chǎn)物(Li_2S_x,x=1-8)導(dǎo)電性較差,這導(dǎo)致在充放電過(guò)程中極化嚴(yán)重;(2)硫放電到Li_2S體積膨脹十分嚴(yán)重;(3)由于多硫化物(Li_2S_n 4≤n≤8)的“穿梭效應(yīng)”,在負(fù)極形成了不溶性的表面絕緣層,嚴(yán)重阻礙了活性物質(zhì)的利用率。其中“穿梭效應(yīng)”是目前面臨的最大問(wèn)題。目前,在隔膜和活性材料之間插入夾層這一方法已經(jīng)被證明是一種直接和有效地限制多硫化物“穿梭”的方法。夾層材料有碳材料和金屬氧化物材料等,雖然夾層的加入使得“穿梭效應(yīng)”被限制,但是夾層自身的重量會(huì)使得電池的能量密度反而有所損失。為有效解決此問(wèn)題,本論文通過(guò)靜電紡絲以及熱處理得到具有韌性的二氧化鈦復(fù)合碳納米纖維薄膜。設(shè)計(jì)正極結(jié)構(gòu)如下:把隔膜和二氧化鈦復(fù)合碳納米纖維薄膜通過(guò)乙炔黑層緊密地粘結(jié)起來(lái),直接將活性材料滴加在二氧化鈦復(fù)合碳納米纖維薄膜上,組成了三層正極結(jié)構(gòu)。其中乙炔黑層起到減少隔膜和二氧化鈦復(fù)合碳納米纖維薄膜之間的界面間距的作用,并提高其導(dǎo)電性。TiO_2可以有效地阻擋多硫化物的穿梭,從而提高硫的利用率。二氧化鈦復(fù)合碳納米纖維薄膜作為骨架還可以緩解循環(huán)過(guò)程中因體積膨脹引起的應(yīng)力,也可以阻止活性材料團(tuán)聚。最重要的是,這樣的三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以省去傳統(tǒng)工藝中必需的鋁片。因此,此結(jié)構(gòu)不僅有效地緩解了穿梭效應(yīng),也提升了電池的能量密度,使鋰硫電池具備優(yōu)異的電化學(xué)性能。在0.1 C(1 C=1675 mA g~(-1))的倍率下,100圈循環(huán)后仍然保留有965 mAh g~(-1)的放電比容量和99.9%的庫(kù)倫效率。倍率測(cè)試時(shí),在0.1,0.2,0.5,1和2 C下,對(duì)應(yīng)的放電比容量分別是1203,1145,1035,934和820 mAh g~(-1)。并且在0.5C的倍率下,300圈后還保持高達(dá)799 mAh g~(-1)的容量。由于二氧化鈦薄膜(1.3 mg cm~(-2))和乙炔黑層質(zhì)量(0.35 mg cm~(-2))遠(yuǎn)輕于鋁片(6 mg cm~(-1)),因此電池的能量密度(基于正極整體計(jì)算)十分優(yōu)異:在0.1 C的倍率下,經(jīng)過(guò)100圈的充放電循環(huán)之后,它仍然保持有603 Wh kg~(-1)的可逆能量密度。免集流體的三層正極設(shè)計(jì)為有效解決鋰硫電池的穿梭效應(yīng)、提高能量密度提供了新的思路。
【圖文】：

東北師范大學(xué)碩士學(xué)位論文2圖1-1 鋰硫電池的結(jié)構(gòu)以及工作原理[7]如圖1-2所示，在鋰硫電池中，正極發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)比較復(fù)雜。在充放電循環(huán)中，會(huì)有一系列的中間產(chǎn)物逐步生成。目前研究發(fā)現(xiàn)，在鋰硫電池的放電過(guò)程中，首先環(huán)形的S8分子開(kāi)環(huán)與鋰離子反應(yīng)得到一個(gè)鏈狀的多硫化物[21]。隨后這些長(zhǎng)鏈多硫化物進(jìn)一步與鋰離子反應(yīng)最終生成放電產(chǎn)物硫化鋰。其放電過(guò)程可以用下面的化學(xué)方程表示出來(lái)（式(1.3和式(1.4)同時(shí)進(jìn)行并存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系）[22-24]此外，鋰硫電池在放電過(guò)程中在2.2-2.3 V左右和在1.9 - 2.1 V左右會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)平828S 2Li LiS(1-1)(1-2)2422Li S 2Li 2LiS(1-3)LiS6Li4LiS242 (1-4)LiS2Li2LiS222 (1-5)1.3 鋰硫電池面臨的問(wèn)題鋰硫電池的出現(xiàn)為未來(lái)高能量密度的能源儲(chǔ)存體系的建立提供了可行性，，但同時(shí)也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。雖然鋰硫電池具有較高的初始容量，但是其循環(huán)穩(wěn)定性較差。主要是因?yàn)殇嚵螂姵卮嬖谌缦聨讉�(gè)缺陷：

圖 1-3 鋰硫電池“穿梭效應(yīng)”示意圖穿梭效應(yīng)是實(shí)現(xiàn)鋰硫電池商業(yè)化的關(guān)鍵究進(jìn)展改性電性，因此通過(guò)復(fù)合碳的方法可以改進(jìn)利用率。在最開(kāi)始的研究中，研究人員過(guò)與硫復(fù)合的方式來(lái)改善鋰硫電池的[31-33]，中空碳球[32, 34]，碳納米管[12, 30, 35維的碳材料，容易形成相互交織的導(dǎo)電料具有良好的導(dǎo)電性，利于電子的傳
【學(xué)位授予單位】：東北師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM912

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4 尹W

本文編號(hào)：2676187