20世紀(jì)90年代初,鋰離子電池作為電子產(chǎn)品的電源開(kāi)始被廣泛應(yīng)用。近些年來(lái),隨著環(huán)境問(wèn)題的日益突出和人們對(duì)于電池續(xù)航能力的強(qiáng)烈需求,許多專(zhuān)家開(kāi)始探究高能量密度的電池體系。以硫?yàn)殡姵卣龢O,鋰為負(fù)極的儲(chǔ)能體系,其理論能量密度高達(dá)2600 Wh kg~(-1),使得鋰硫電池開(kāi)始成為儲(chǔ)能裝置的研究熱點(diǎn)。但是,鋰硫電池有許多缺陷尚需解決,比如:硫正極和放電終產(chǎn)物的電子/離子電導(dǎo)很差,活性物質(zhì)在充放電反應(yīng)過(guò)程中體積膨脹/收縮嚴(yán)重,以及反應(yīng)的中間產(chǎn)物聚硫鋰易溶于電池的有機(jī)電解液從而擴(kuò)散到負(fù)極造成穿梭效應(yīng),這些缺陷都使得它的商業(yè)化過(guò)程受到了阻礙。本文針對(duì)鋰硫電池體系中聚硫鋰的穿梭效應(yīng)造成的電池活性物質(zhì)利用率低,循環(huán)穩(wěn)定性差,電池極化嚴(yán)重等問(wèn)題,提出了利用導(dǎo)電碳材料與氧化釔的復(fù)合物作為鋰硫電池隔膜改性涂層的解決方案。導(dǎo)電碳與氧化釔復(fù)合物改性涂層中的高比表面積碳材料對(duì)聚硫鋰有很強(qiáng)的物理吸附力,同時(shí),導(dǎo)電碳中鑲嵌的氧化釔顆粒對(duì)聚硫鋰存在化學(xué)吸附和催化作用。導(dǎo)電碳的物理吸附以及氧化釔的化學(xué)吸附與催化產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)既能夠抑制鋰硫電池穿梭效應(yīng),又提高了活性物質(zhì)的利用率,大大改善了鋰硫電池的電化學(xué)性能。論文研究的主要內(nèi)容和成果如下:第一部分的實(shí)驗(yàn)以商業(yè)的納米氧化釔為主要的隔膜改性材料,通過(guò)機(jī)械混合的方式將改性材料涂覆在商業(yè)隔膜表面,來(lái)研究氧化釔在隔膜改性電池中的作用。將納米氧化釔改性隔膜的電池和沒(méi)有隔膜改性的電池進(jìn)行對(duì)比,隔膜改性的電池在0.1 C的初始放電容量為1339.1 mAh g~(-1);1 C下循環(huán)200圈后,電池的放電比容量從942.6 mAh g~(-1)降為了659.8 mAh g~(-1),容量保持率為70%,高于沒(méi)有改性電池的容量保持率(51.4%)。隔膜改性電池的倍率性能同樣優(yōu)于沒(méi)有隔膜改性的電池,這些電化學(xué)性能的改善都?xì)w功于改性隔膜上的納米Y_2O_3涂層。涂層中豐富的孔道結(jié)構(gòu)方便了電解液的浸潤(rùn),為離子的快速傳輸提供了途徑,并且涂層還可以作為抑制聚硫鋰穿梭的物理阻擋層,提高活性物質(zhì)的利用率。更進(jìn)一步的從測(cè)試結(jié)果分析,納米Y_2O_3顆粒還可以在電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中起到催化和化學(xué)吸附作用。但由于購(gòu)買(mǎi)的商業(yè)納米氧化釔顆粒大小不均一,且金屬氧化物較差的導(dǎo)電性都會(huì)影響改性電池的性能。因此,我們進(jìn)行了第二部分的實(shí)驗(yàn):將氧化釔顆粒鑲嵌于高比表面積的導(dǎo)電碳中。第二部分實(shí)驗(yàn)采用濕法浸漬和冷凍干燥的方法,制備出了氧化釔顆粒復(fù)合科琴黑碳材料(KB)。復(fù)合物的檢測(cè)結(jié)果顯示,納米氧化釔顆粒大小為5~10 nm,且均勻地分布在碳材料的孔道中。為了研究納米氧化釔顆粒在隔膜改性涂層中的作用,我們將使用氧化釔-科琴黑復(fù)合物改性隔膜的電池同使用純科琴黑改性隔膜的電池進(jìn)行對(duì)比。測(cè)試結(jié)果顯示,使用氧化釔-科琴黑復(fù)合物改性隔膜的電池在0.1 C下的初始放電容量高達(dá)1362.1 mAh g~(-1),循環(huán)200圈后容量保持率為76.5%。在相同的測(cè)試條件下,使用氧化釔-科琴黑復(fù)合物改性隔膜的電池性能都優(yōu)于使用純科琴黑改性隔膜的電池。分析原因可能是:氧化釔-科琴黑復(fù)合物中的高比表面,高導(dǎo)電性的碳材料提供了一個(gè)多孔的導(dǎo)電骨架,便于離子的快速穿梭,并抑制了聚硫鋰的穿梭,起到了物理吸附的作用;同時(shí)碳孔道中均勻分布的納米氧化釔顆粒作為活性位點(diǎn)吸附了眾多的聚硫鋰,起到了化學(xué)吸附和催化的作用,進(jìn)一步提高了活性物質(zhì)的利用率和電池的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。
【學(xué)位單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TM912
【部分圖文】：

納米氧化釔-科琴黑復(fù)合隔膜改性在鋰硫電池中的應(yīng)用研究 5 倍。池的基本工作原理池里，如果正極的活性物質(zhì)硫和負(fù)極鋰片充分反應(yīng)，并完化還原過(guò)程為：2Li+S→Li2S。下，多個(gè)硫原子聚集在一起形成不同的結(jié)構(gòu)，但是環(huán)狀放電過(guò)程中，環(huán)狀 S8很難一步形成 Li2S，通過(guò)多個(gè)反應(yīng)i2S2，在圖 1.1 中主要體現(xiàn)為放電過(guò)程中的兩個(gè)電壓平臺(tái)

能夠包覆絕緣硫等特性，最常見(jiàn)的材料就是碳材料導(dǎo)電材料，可以促進(jìn)硫正極的氧化還原反應(yīng)，同時(shí)也可以應(yīng)產(chǎn)物。常用的復(fù)合正極中的碳材料有炭黑[31-33]，微孔碳[3[39-45]，中空碳球[46-48]，碳納米管[49-56]，碳纖維[57-60]和石墨結(jié)合力的碳材料和硫進(jìn)行復(fù)合，電池的循環(huán)性能較差，L羥基生物大分子修飾的介孔碳和硫進(jìn)行復(fù)合，制備正極基和羥基的生物大分子涂覆在有序多孔碳的表面，可以有鋰。氨基/羥基和聚硫鋰之間的強(qiáng)結(jié)合力可以預(yù)防反應(yīng)中絕緣的反應(yīng)終產(chǎn)物的擴(kuò)散，示意圖如下所示。而且該涂覆層合正極中的涂層可以提高電池的循環(huán)性能和庫(kù)倫效率。改倫效率為 81.7%，相同的循環(huán)圈數(shù)下，有生物分子涂覆的的電池放電比容量要高。

納米氧化釔-科琴黑復(fù)合隔膜改性在鋰硫電池中的應(yīng)用研究，也提高了活性物質(zhì)的利用率。文中采用還原誘導(dǎo)自組裝的方法，簡(jiǎn)單易三維的結(jié)構(gòu)有利于鋰離子的傳輸，增強(qiáng)了正極對(duì)于電解液的吸收，最終以進(jìn)行高效的電化學(xué)反應(yīng)。測(cè)試結(jié)果顯示：在 1Ag-1的高倍率下，循環(huán)，改性電池的放電容量還穩(wěn)定在 580 mAh g-1，同時(shí)每圈的容量衰減3%。制備流程如圖 1.3 所示：

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 王麗君;王偉光;;廢舊鋰離子電池回收利用處置現(xiàn)狀及對(duì)策[J];廣州化工;2015年12期

2 江虹;郭瑞松;徐江海;高沿英;鄧雅平;;氧化釔摻雜鋯鈰酸鋇質(zhì)子導(dǎo)體的制備及性能研究[J];無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào);2012年12期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 張海龍;中國(guó)新能源發(fā)展研究[D];吉林大學(xué);2014年

2 錢(qián)江鋒;先進(jìn)儲(chǔ)鈉電極材料及其電化學(xué)儲(chǔ)能應(yīng)用[D];武漢大學(xué);2012年

本文編號(hào)：2826675