本文關(guān)鍵詞：高比容量鋰硫電池正極硫@導(dǎo)電復(fù)合材料的制備與電化學(xué)研究

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【摘要】：伴隨著社會的發(fā)展,能源緊缺和環(huán)境惡化逐漸成為人類社會面臨的兩大難題,而研究可持續(xù)的清潔能源有助于緩解這兩大難題。鋰離子電池作為新一代的二次電源,已成為當(dāng)代社會極為重要的能量存儲與轉(zhuǎn)換設(shè)備,近年來受到了廣泛關(guān)注。在眾多鋰離子電池中,鋰硫電池具有比容量高、成本低、儲量豐富、環(huán)境友好且易回收等優(yōu)勢,在能量存儲方面展示出了誘人的應(yīng)用前景,含硫正極材料也因此成為下一代鋰離子電池中最具有開發(fā)潛力的正極材料之一。但單質(zhì)硫?qū)щ娦詷O差,且硫及其放電產(chǎn)物易溶于有機(jī)溶劑,導(dǎo)致正極活性物質(zhì)利用率低、循環(huán)性能差、充放電速度慢等問題。為此,本文采用硫與碳基導(dǎo)電介質(zhì)復(fù)合的思路制備正極材料,主要開展以下研究工作:其一,以一鍋法制備硫@聚吡咯(S@PPy)復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)中Fe Cl3同時(shí)起到了S生成的氧化劑和吡咯聚合的催化劑;制得的PPy球殼導(dǎo)電性和離子傳導(dǎo)性良好,同時(shí)具有適中的厚度和充足的容積;曲拉通-100(TX-100)不但有效維持了硫顆粒的粒度和分散性,也促進(jìn)了PPy對硫的包覆;而H3PO4的添加則改善了材料整體的動力學(xué)性能。表征和測試數(shù)據(jù)表明:本復(fù)合材料具有好的容量循環(huán)保持率和更好的動力學(xué)性能,材料裝配成全電池后首次容量為810 m Ah g-1,經(jīng)50次循環(huán)測試后仍保有約600m Ah g-1的容量,容量保持率為74%。其二,通過還原氧化石墨烯包覆策略制備硫@還原氧化石墨烯(S@r GO)復(fù)合材料;在TX-100的作用下,以一鍋法制備出S@GO復(fù)合材料并使用HI還原GO從而獲得S@r GO。結(jié)果表明:TX-100有效地阻止了微米硫顆粒的團(tuán)聚并使石墨烯可靠地包覆在了硫顆粒上;HI還原后獲得的r GO顯示出了更好的導(dǎo)電性、柔性和電化學(xué)穩(wěn)定性,有效抑制了充放電過程的穿梭效應(yīng)。S@r GO中硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)85%,在0.05 C的電流密度下,組裝成的全電池200次充放電循環(huán)后保持了約980 m Ah g-1的比容量,顯示出了優(yōu)異的容量保持率和循環(huán)壽命。同時(shí),經(jīng)過還原的復(fù)合材料也表現(xiàn)出了更高的倍率性能和更低的電阻。其三為硫@超薄微孔碳(S@UMPC)。以糖為碳源,以氧化石墨烯為模板,在表面活性劑的輔助下通過水熱自組裝碳化和高溫?zé)Y(jié)等方法制備了孔徑為0.58-0.68 nm且總厚度約50 nm的三明治夾層結(jié)構(gòu)的UMPC。微孔的孔徑能夠穩(wěn)定地貯存小分子硫,令S8無法生成,從而在根本上解決了可溶性硫聚陰離子在電解液中的溶解損失。同時(shí),UMPC和S之間的緊密接觸、還原程度較高的石墨烯和微孔碳材料都提供了更為出色的導(dǎo)電性能;而UMPC的三明治狀超薄三維結(jié)構(gòu)和豐富的褶皺所提供的巨大的比表面積提升了該正極材料的倍率性能。該復(fù)合正極材料在經(jīng)歷150次0.1 C倍率的充放循環(huán)后保有900 m Ah g-1的容量,在3 C的高倍率下?lián)碛屑s710 m Ah g-1的容量,且硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)50%。本文分別設(shè)計(jì)并合成了S@PPy、S@r GO、S@UMPC三種復(fù)合材料,對其設(shè)計(jì)思路、合成方法進(jìn)行了研究討論,并對其物理性質(zhì)進(jìn)行了表征。通過將其裝成電池,利用交流阻抗、循環(huán)伏安和充放電循環(huán)測試對材料性能進(jìn)行了綜合評價(jià)。結(jié)果表明:上述策略均在不同程度上提升了鋰硫電池正極的性能,顯著地提升了鋰硫電池的實(shí)用性及其應(yīng)用前景。后期將繼續(xù)開始對高硫載量和利用率含硫正極材料的設(shè)計(jì),以期獲得高能量密度和倍率性能的電極材料。
【關(guān)鍵詞】：鋰硫電池 正極 導(dǎo)電復(fù)合 碳材料
【學(xué)位授予單位】：上海大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM912
【目錄】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-12
• 第一章 緒論12-29
• 1.1 課題來源12
• 1.2 引言12-15
• 1.3 本課題研究目的與意義15-16
• 1.4 鋰硫電池的工作機(jī)理及現(xiàn)存問題16-18
• 1.4.1 鋰硫電池的工作機(jī)理16-17
• 1.4.2 現(xiàn)存的主要問題17-18
• 1.5 含硫正極材料研究進(jìn)展18-27
• 1.5.1 硫-氧化物復(fù)合材料18-19
• 1.5.2 硫-導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料19-21
• 1.5.3 硫-碳復(fù)合材料21-27
• 1.6 課題的提出與本文研究內(nèi)容27-29
• 第二章 實(shí)驗(yàn)原料、設(shè)備與方法29-34
• 2.1 實(shí)驗(yàn)原料29-30
• 2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備30-31
• 2.3 實(shí)驗(yàn)方法31-34
• 2.3.1 微觀形貌與結(jié)構(gòu)分析31-32
• 2.3.2 電池組裝與測試32-34
• 第三章 硫@聚吡咯復(fù)合材料制備與性能研究34-48
• 3.1 引言34
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分34-35
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑及儀器34
• 3.2.2 材料制備與合成34-35
• 3.2.3 材料表征與分析測試35
• 3.3 結(jié)果分析與討論35-47
• 3.3.1 S@PPy復(fù)合材料的設(shè)計(jì)策略35-37
• 3.3.2 S@PPy復(fù)合材料的物理表征與分析37-41
• 3.3.3 S@PPy復(fù)合材料的電化學(xué)測試分析41-47
• 3.4 本章小結(jié)47-48
• 第四章 硫@還原氧化石墨烯復(fù)合材料制備與研究48-63
• 4.1 引言48
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分48-50
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑及儀器48
• 4.2.2 材料制備與合成48-49
• 4.2.3 材料表征與分析測試49-50
• 4.3 結(jié)果分析與討論50-62
• 4.3.1 HI還原效果的驗(yàn)證51-52
• 4.3.2 TX-100 相關(guān)的表征與效果驗(yàn)證52-53
• 4.3.3 材料形貌表征與硫含量分析53-55
• 4.3.4 XRD與Raman結(jié)果分析55-57
• 4.3.5 電化學(xué)測試與結(jié)果評價(jià)57-62
• 4.4 本章小結(jié)62-63
• 第五章 小分子硫@超薄微孔碳復(fù)合材料的制備與性能研究63-81
• 5.1 引言63-64
• 5.2 實(shí)驗(yàn)部分64-66
• 5.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑及儀器64
• 5.2.2 材料制備64-65
• 5.2.3 材料表征與分析測試65-66
• 5.3 結(jié)果分析與討論66-80
• 5.3.1 復(fù)合材料設(shè)計(jì)及形貌分析66-71
• 5.3.2 S@UMPC的電化學(xué)性能測試與評價(jià)71-74
• 5.3.3 煅燒工藝的評價(jià)與優(yōu)化74-77
• 5.3.4 S@UMPC材料中的碳硫相互作用77-78
• 5.3.5 復(fù)合材料最佳含硫量的探討78-80
• 5.5 本章小結(jié)80-81
• 第六章 結(jié)論與展望81-83
• 6.1 全文結(jié)論81-82
• 6.2 展望82-83
• 參考文獻(xiàn)83-90
• 作者在攻讀碩士學(xué)位期間公開發(fā)表的論文90
• 作者在攻讀碩士學(xué)位期間所參與的項(xiàng)目90-91
• 致謝91

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