【摘要】：室溫堿金屬-硫二次電池(包括鋰硫電池和鈉硫電池)是極具有競爭力的下一代電池體系。其中,S正極材料的理論容量高達1672 mAh g~(-1),被認為是一種理想的正極材料。Li、Na、K三種堿金屬的理論容量分別高達3861 mAh g~(-1)、1166 mAh g~(-1)和685 mAh g~(-1),被認為是幾種最理想的負極材料。雖然堿金屬-硫二次電池具有上述性能優(yōu)勢,但是目前其研究還面臨著一些挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)主要是來自于充放電過程中產(chǎn)生的多硫化物中間產(chǎn)物所引起的穿梭效應(yīng),以及負極堿金屬在循環(huán)過程中不均勻沉積導致的安全問題。因此,本論文通過設(shè)計硫正極和堿金屬負極,分別在單電極(正極或負極)的研究中取得了一定成果。然后將設(shè)計好的堿金屬負極與包括硫正極在內(nèi)的不同正極材料進行配對,進一步證明了我們策略的可實用性。具體研究內(nèi)容如下:在第一個工作中,我們發(fā)現(xiàn)金屬銅與硫之間具有極強的化學相互作用。將泡沫銅投入含有堿金屬多硫化物的水相或非水相溶液中,泡沫銅均會自發(fā)與多硫化物發(fā)生反應(yīng),并在泡沫銅表面生成形貌可控的硫化亞銅(Cu_2S)納米片,從而將硫固定在泡沫銅表面,從源頭上解決了穿梭效應(yīng)。我們將泡沫銅分別用作鋰硫電池和鈉硫電池正極的固硫載體,提出了化學鍵固硫的新概念。最終在鋰硫電池中獲得了可循環(huán)1000次以上,容量高達1200 mAh g~(-1)的等價硫正極材料;在鈉硫電池中獲得了可循環(huán)400次以上,容量高達400 mAh g~(-1)的等價硫正極材料。為硫正極固硫提供了一種普適的方法。在第二個工作中,我們?yōu)閴A金屬負極(Li、Na和K)的穩(wěn)定沉積循環(huán)提出了一種普適且直接的策略。通過在堿金屬負極表面覆蓋一層商業(yè)碳紙,堿金屬在碳酸酯類電解液和醚類電解液中的沉積/氧化過電勢和循環(huán)穩(wěn)定性就會得到顯著優(yōu)化。當電流密度高達5 mA cm~(-2)時,碳紙保護的金屬鋰負極可實現(xiàn)~4000圈的超長循環(huán),碳紙保護的金屬鈉可實現(xiàn)~1200圈的超長循環(huán),碳紙保護的金屬鉀可實現(xiàn)~3000圈的超長循環(huán)。除此之外,我們將碳紙保護的金屬鋰與鈦酸鋰(LTO)電極材料配對,將碳紙保護的金屬鈉分別與磷酸釩鈉(NVP)正極材料和上文提到的等價硫正極配對,均獲得了更優(yōu)異的全電池循環(huán)性能。
【學位授予單位】：蘇州大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM912
【圖文】：

引言燃料─煤、石油和天然氣的使用極大促進了工業(yè)化發(fā)展，便利。時至今日，全球的能源結(jié)構(gòu)仍然以化石能源為主。據(jù)統(tǒng)計，有能源使用量中占比超過百分之八十五。但化石能源是一種不，無法滿足人們?nèi)找媾蛎浀哪茉葱枨�。人們正在面臨著能源枯竭年的汽車需求為例（圖 1.1），從 2005 年到 2017 年 5 月，汽車勢，每年新增汽車數(shù)量高達 1000-2000 萬臺，以每輛車年行駛里算，每年新增燃油消耗將高達 40 億升�；茉吹氖褂盟鶐黹_始逐步顯現(xiàn)，其導致的氣候異常已經(jīng)開始影響人們的生活。高化石能源利用率的同時，尋找可替代的可再生清潔能源是人。

堿金屬-硫二次電池正負極材料的優(yōu)化探索 第三章 過渡金屬銅輔助的金屬-硫二次電池的研究橙色溶液中反應(yīng)，測試其與 Na2S4水溶液的反應(yīng)性。1 min 后取出，肉眼觀察金屬表面變化。圖 3.1 是上述過渡金屬與 Na2S4水溶液反應(yīng)后金屬表面變化的圖片。從圖 1 可以看出，銅箔與 Na2S4溶液直接接觸的部分迅速變黑，反應(yīng)速度很快。在相同條件下，沒有其他金屬可以與 Na2S4水溶液發(fā)生反應(yīng)。由此，我們用一個簡單的實驗證明了金屬銅和多硫化物之間強烈的化學相互作用，即金屬銅具有極強的固硫能力。

硫后的 Cu 2p 和 S 2p XPS 圖譜。接下來我們通過多種表征技術(shù)確定泡沫銅固硫后，表面生成的黑色物質(zhì)的組成和微觀結(jié)構(gòu)。如圖3.2c所示，其X射線衍射（XRD）圖譜與六方Cu2S（PDF＃89-2670）的圖譜完全一致。其中還可以觀察到來自金屬 Cu 底物的強衍射峰，說明泡沫銅與多硫化物反應(yīng)后只在表面生成了一層均勻的 Cu2S，內(nèi)部的泡沫銅骨架依舊保持完整。泡沫銅固硫后的 X 射線光電子能譜（XPS）顯示 Cu 2p 3/2 峰和 S 2p 3/2 峰分別位于 932.6 eV 和 162.0 eV（圖 3.2d,e），同樣與 Cu2S 的標準 XPS 能譜高度一致。

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本文編號：2762323