【摘要】：鋰硫電池由于其高的理論能量密度引起人們廣泛關(guān)注和研究,但鋰硫電池的硫?qū)щ娐实�、體積膨脹和“穿梭效應(yīng)”等不足一直制約著鋰硫電池的發(fā)展。過渡金屬氧化物作為潛在的鋰離子電池負極材料,也有著顆粒團聚、電極結(jié)構(gòu)易坍塌等缺點。隨著各種電子設(shè)備和電動汽車的快速發(fā)展,亟需研制高性能電極材料以滿足包括鋰硫電池和鋰離子電池等可充電電池的需求。本論文以獲得高容量高穩(wěn)定性的電極材料為目標(biāo),以緩解電極材料體積結(jié)構(gòu)變化為出發(fā)點,研究復(fù)合儲能材料的制備方法及其電化學(xué)性能,為研制高性能可充電電池開辟新思路和奠定制備技術(shù)基礎(chǔ)。研究內(nèi)容和創(chuàng)新點包括:(1)通過犧牲模板法制備了多孔硫顆粒,并在其表面包裹聚吡咯(PPy)制得新穎的多孔S@PPy復(fù)合材料�；赟@PPy復(fù)合正極的鋰硫電池在0.12 C的電流密度下循環(huán)100次后,容量仍保持900 mAh g~(-1),庫侖效率高達99.9%。在三輪倍率性能測試過程中,相同電流密度下的容量保持率高達97%。獨特的多孔結(jié)構(gòu)為硫的體積結(jié)構(gòu)變化提供了有效的緩沖空間。進一步通過建立密度泛函理論模型,計算證明了PPy對多硫化物具有良好的吸附效果,緩解了穿梭效應(yīng),提高了電極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。(2)設(shè)計合成了一種創(chuàng)新結(jié)構(gòu)的螺旋狀二氧化硅納米線作為基底材料,隨后通過簡單的化學(xué)合成法制備SiO_2@C@PANI@S復(fù)合材料(其中PANI為聚苯胺),特殊的螺旋結(jié)構(gòu)像彈簧似的能有效緩解充放電過程中的硫體積膨脹問題,碳能增加SiO_2粗糙度,有利于毛刺狀的聚苯胺形成。聚苯胺不僅可以提高硫正極的導(dǎo)電性,而且毛刺狀結(jié)構(gòu)為后期硫的負載提供了更大的比表面積,獲得高的硫負載量。研究發(fā)現(xiàn),SiO_2@C@PANI@S在0.1 C的電流密度下,循環(huán)100次后容量仍能保持940 mAh g~(-1)。(3)進一步將螺旋狀SiO_2作為基底材料,通過水熱法分別合成了SiO_2@Fe_2O_3和SiO_2@Co_3O_4復(fù)合材料并且拓展應(yīng)用于鋰離子電池。研究發(fā)現(xiàn)螺旋結(jié)構(gòu)也能夠有效緩解過渡金屬氧化物在充放電過程中的顆粒團聚及體積變化等問題。SiO_2@Fe_2O_3復(fù)合材料電極在0.1 C循環(huán)580次,容量趨于穩(wěn)定在770 mAh g~(-1),庫侖效率穩(wěn)定在99%以上;SiO_2@Co_3O_4復(fù)合材料在0.1 C循環(huán)至380次后穩(wěn)定在670 mAh g~(-1),庫侖效率接近99.9%。上述研究為可充電電池的電極材料結(jié)構(gòu)變化問題提供了新的解決思路和方案,具有重要的潛在應(yīng)用價值。同時,高性能的電極復(fù)合材料,也為研制新型電池打下了材料基礎(chǔ)和提供了制備技術(shù)支撐。
【學(xué)位授予單位】：安徽師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB33;TM912
【圖文】：

圖 1.1 鋰硫電池的電化學(xué)機理。llustration for the electrochemical mechanism o，整個反應(yīng)由兩個步驟組成：硫首先還2S42 ），在進一步的放電過程中，長鏈體過程如下[21]：+16e-e-→8Li2S82-，3S8+2e-→4S62-3S42-Li+→2Li2S2， Li2S2+2e-+2Li+→2Li2S

圖 1.2 鋰離子電池的電化學(xué)機理。.2 The electrochemical mechanism of Li-i由正極，負極，隔膜和電解液四個組鋰化合物，常見的有：LiCoO2，LiN機溶劑，常見的有機溶劑有碳酸乙烯酯（DMC）[22,23]。充電時，Li+從正鋰狀態(tài)，正極處于缺鋰狀態(tài)，同時荷平衡。放電時剛好相反，Li+從負富鋰狀態(tài)[24]。電池研究現(xiàn)狀與進展

圖 1.3 MoS2/CNTs-S 復(fù)合材料制備示意圖。Figure 1.3 Schematic illustration of the preparation of MoS2/CNTs-S composite.通過設(shè)計獨特的納米結(jié)構(gòu)一方面可以解決硫正極固有的體積效應(yīng)，另能為硫提供更大的負載面積，包裹的導(dǎo)電聚合物能提高硫的導(dǎo)電率，綜硫電池的循環(huán)穩(wěn)定性，為改善鋰硫電池的電化學(xué)性能提供了思路。2 鋰離子電池鋰離子電池因其能量密度高，循環(huán)壽命長，環(huán)境友好和輕量化而被大量作為商業(yè)鋰離子電池的負極材料，其理論容量低（372 mAh g-1），限制鋰離子電池的進一步發(fā)展[53-62]。為了制備出高容量和能量密度的鋰離研究人員致力于新型負極材料的開發(fā)。過渡金屬氧化物作為應(yīng)用于鋰離負極材料，具有高的理論容量，但是也存在著充放電過程中體積變化大量的快速衰減和循環(huán)穩(wěn)定性差等問題[63-66]。[67,68]

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本文編號：2786839