【摘要】：鋰硫電池理論能量密度高達(dá)2500Wh/Kg,比容量高達(dá)1675Ah/Kg,并且鋰硫電池的正極活性物質(zhì)硫具有無毒、廉價(jià)、對環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn)。這使鋰硫電池成為了未來最具有發(fā)展前景的二次電池之一。盡管鋰硫電池存在眾多優(yōu)點(diǎn),但目前還未商業(yè)化應(yīng)用,這是因?yàn)殇嚵螂姵刂腥源嬖谝恍﹩栴},如:活性物質(zhì)硫與放電產(chǎn)物(Li_2S和Li_2S_2)絕緣;放電中間產(chǎn)物易溶于電解液;體積膨脹。這些問題的存在使硫利用率低、循環(huán)性能差。因此,提高硫的利用率和電池的循環(huán)性能成為了鋰硫電池的研究熱點(diǎn)。本文綜述了近幾年鋰硫電池正極材料的研究現(xiàn)狀,并將正極材料分類總結(jié),發(fā)現(xiàn)正極導(dǎo)電材料的微觀結(jié)構(gòu)、組成和穩(wěn)定性是影響鋰硫電池性能的重要因素,并且認(rèn)為電池的性能與材料的物質(zhì)組成對正極電化學(xué)反應(yīng)的催化效應(yīng)有關(guān)。我們通過制備三維一體化導(dǎo)電材料解決了正極材料在放電過程中穩(wěn)定性差的問題,并通過制備不同微觀結(jié)構(gòu)的正極導(dǎo)電材料,改變正極材料的物質(zhì)組成,以此展開對鋰硫電池正極材料的研究。具體研究內(nèi)容及結(jié)論如下:(1)MOF-5為前驅(qū)體制備多孔碳材料的碳化溫度對鋰硫電池性能的影響本論文采用水熱法合成MOF-5晶體,經(jīng)一步熱解法制備出多孔碳材料,通過改變熱解溫度制備出HPCN-n(n=800,900,950,1000)導(dǎo)電材料。利用熔融法與硫復(fù)合,后經(jīng)過攪拌成槳、涂膜、切片制備出鋰硫電池正極極片。在石墨烯的添加比例為1,電解液的總加入量為60μL;封口壓力為單極片組裝壓力7MPa的最佳工藝條件下制備正極極片和組裝電池。電化學(xué)測試結(jié)果顯示:在碳化溫度為1000℃時(shí)電池性能最佳,首次放電比容量為1144.9mAh/g,循環(huán)50次后放電比容量保持在857mAh/g。與其他碳化溫度材料對比,S/HPCN-1000硫正極材料放電比容量高,且循環(huán)穩(wěn)定性好。物理表征XRD、BET、TG顯示,在碳化溫度為1000℃時(shí),中心金屬元素鋅已經(jīng)不存在,比表面積較大,孔容和孔徑最小。正是因?yàn)檩^高的比表面積、適當(dāng)?shù)目讖�、恰�?dāng)?shù)目左w積,使得HPCN-1000導(dǎo)電材料在鋰硫電池中表現(xiàn)出較好的電化學(xué)性能。(2)MOF-5為前驅(qū)體制備多孔碳材料的碳化時(shí)間對鋰硫電池性能的影響采用與上述相同的方法合成MOF-5,經(jīng)1000℃碳化,通過改變碳化時(shí)的時(shí)間制備出-1000-n(n=1,2,3,6)導(dǎo)電材料。利用熔融法與硫復(fù)合,后經(jīng)過攪拌成槳、涂膜、切片制備出鋰硫電池正極極片。電化學(xué)測試結(jié)果顯示,碳化時(shí)間為3h時(shí)所制備的正極材料表現(xiàn)出最佳的電池性能,其中首次放電比容量為1144.9mAh/g,循環(huán)50次以后放電比容量保持在857mAh/g。其他碳化時(shí)間所制備的正極材料均出現(xiàn)極化現(xiàn)象。BET表征結(jié)果顯示,比表面積、孔容、孔徑均在碳化時(shí)間為3h時(shí)達(dá)到最小,且交流阻抗測試結(jié)果顯示碳化時(shí)間為3h時(shí)電極表面SEI膜出現(xiàn)的最晚�？芍^偶孔徑和孔體積的多孔碳材料不適合用作鋰硫電池正極材料。(3)ZIF-9基金屬氧化物多孔碳/碳纖維復(fù)合材料的制備及其在鋰硫電池正極上的應(yīng)用本論文通過在碳紙的碳纖維上生長高密度排列的ZIF-9,后經(jīng)一步熱解制備出C-N-Co/CP復(fù)合材料,再將C-N-Co/CP復(fù)合材料在大氣氛圍下氧化數(shù)小時(shí)制備C-N-Co_3O_(4(n))/CP(n=1.5,2,4,6)復(fù)合材料。然后,利用溶劑法載硫制備出S/C-N-Co/CP和S/C-N-Co_3O_(4(n))/CP(n=1.5,2,4,6)正極材料,最后組裝稱電池。SEM表征結(jié)果顯示,ZIF-9晶體在碳紙上緊密排列生長,且碳纖維與碳纖維之間的縫隙也被填滿,后經(jīng)過碳化和氧化,ZIF-9晶體骨架形貌未發(fā)生變化。EDS表征結(jié)果顯示出元素分布均勻,以及元素的原子含量比例。BET表征結(jié)果顯示,氧化時(shí)間短時(shí),9nm左右的孔被打開。繼續(xù)氧化,碳孔壁被氧化腐蝕,使得平均孔徑變小,最可及孔徑增大。XPS表征結(jié)果顯示經(jīng)氧化后Co納米顆粒轉(zhuǎn)化為Co_3O_4納米顆粒,且有Co-N鍵存在。恒流充放電測試結(jié)果顯示,C-N-Co_3O_(4(2))/CP正極材料的電化學(xué)性能最佳,首圈放比電容量為1154.4mAh/g,循環(huán)100次后仍保持在708.2mAh/g,且平均庫倫效率保持在98%以上。循環(huán)伏安(CV)測試結(jié)果顯示,S/C-N-Co/CP硫正極材料的還原峰電流最小,S/C-N-Co_3O_(4(2))/CP正極材料還原峰電流最大。交流阻抗(EIS)測試結(jié)果顯示,S/C-N-Co/CP正極材料的阻抗最大,經(jīng)氧化后制備的S/C-N-Co_3O_(4(2))/CP的阻抗值最小。這是因?yàn)镃o_3O_4對鋰硫電池正極充放電反應(yīng)有雙相催化效用,且在最可及孔徑為2nm的基礎(chǔ)上適量的增加9nm左右的孔可以提高電池性能。
【圖文】：

圖 1-1 鋰硫電池結(jié)構(gòu)圖[44]Fig. 1-1 Lithium-sulfur battery structure[44]正極通常為單質(zhì)硫、正極材料、導(dǎo)電劑以及粘結(jié)劑的混合物，解液通常為溶解在有機(jī)溶劑中的鋰鹽溶液。鋰鹽主要由 LiPF6l4、LiBF6、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2等[43-44]。鋰硫電池正極反

圖 1-1 鋰硫電池結(jié)構(gòu)圖[44]Fig. 1-1 Lithium-sulfur battery structure[44]正極通常為單質(zhì)硫、正極材料、導(dǎo)電劑以及粘結(jié)劑的混合物，，負(fù)解液通常為溶解在有機(jī)溶劑中的鋰鹽溶液。鋰鹽主要由 LiPF6、lCl4、LiBF6、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2等[43-44]。鋰硫電池正極反
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM912;TQ127.11

【參考文獻(xiàn)】

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1 邵勤思;顏蔚;李愛軍;張久俊;;鉛酸蓄電池的發(fā)展、現(xiàn)狀及其應(yīng)用[J];自然雜志;2017年04期

2 陳云貴;周萬海;朱丁;;先進(jìn)鎳氫電池及其關(guān)鍵電極材料[J];金屬功能材料;2017年01期

3 曾旖;庹先國;李向陽;奚大順;;鎳鎘電池智能充電器的研制[J];電子技術(shù)應(yīng)用;2006年06期

本文編號(hào)：2704210