【摘要】：鋰碲電池是一種以碲為正極,金屬鋰作負極的新型電池體系。由于正極材料碲具有超高的電子導電率和較高的體積比容量,鋰碲電池在儲能領域頗具發(fā)展前景。然而,由于碲在充放電過程中會出現(xiàn)嚴重的體積膨脹,并且中間產物多碲化鋰會溶解于醚類電解液中,進而導致鋰碲電池存在庫倫效率不高、容量衰減明顯等問題,因此,探究并開發(fā)具有較高比表面積、豐富的孔結構的多孔碳骨架并將其作為碲的載體,以制備循環(huán)穩(wěn)定性良好的碲基正極材料,成為鋰碲電池的研究重點。本論文主要對設計和制備具有較高電化學性能的碲基正極材料進行探索和研究。分別采用金屬有機框架、生物質材料和大分子有機物三種碳源,通過合理的結構設計,采取適宜的合成方法,制備出具有不同孔隙結構的三種多孔碳骨架并作為碲的載體,探究了三種多孔碳/碲復合正極材料的儲鋰性能。具體研究工作如下:1.采用溶劑熱方法合成金屬有機框架CNT@Ni_2O(BDC)_2(CNT=碳納米管,BDC=對苯二甲酸)并將其作為前驅體,通過高溫裂解碳化,洗滌除去金屬顆粒得到具有多通道的類血管-細胞組織的碳納米管/空心碳球載體(CNT@HCC),通過高溫熔融-擴散實現(xiàn)CNT@HCC載體與碲單質的復合,得到碳納米管/空心碳球/碲(CNT@HCC/Te)復合正極材料,不僅實現(xiàn)了較高的活性物質負載量,而且在500次的充放電循環(huán)測試之后仍能保持約240 mAh g~(-1)的質量比容量。通過各項物理化學表征和電化學測試說明,類血管-細胞組織的碳納米管/空心碳球合理的多通道結構設計對鋰碲電池的性能具有重要影響。2.選取蓮蓬殼作為生物質碳源,通過水熱法除去蓮蓬殼中的雜質元素,再高溫碳化得到原始碳材料,進一步用KOH蝕刻活化得到豐富的微孔-介孔結構,合成具有肋骨狀形貌的多孔碳框架(RHPC),其比表面積高達1660 m~2 g~(-1)。進一步熔融浸漬封裝碲,最終得到的肋骨狀多孔碳/碲(RHPC/Te)復合材料作鋰碲電池正極,在鋰碲電池性能測試中展現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性,在2C的電流密度下經過3600次恒流充放電循環(huán)之后還能保持288 mAh g~(-1)的質量比容量。研究證明,肋骨狀多孔碳/碲復合材料豐富的微孔-介孔結構有效緩解了充放電過程中的體積膨脹,同時有效地抑制了活性物質的流失和結構的破壞,從而促進電池性能的提升。3.利用大分子有機物殼聚糖、醋酸鋅和二氧化硅納米球進行凝膠化反應,采用冷凍干燥使凝膠脫水,進一步在氬氣環(huán)境下高溫煅燒,再將雜質徹底洗滌,得到兼具大孔-介孔-微孔的氮摻雜多層級孔隙碳泡沫(NHPCS),其豐富的多層級孔隙不僅為碲提供了足夠的容納空間,保證了較高的活性物質負載量,而且其大孔還能有效緩解體積膨脹,微孔有效吸附多碲化物,確保了充放電循環(huán)測試中的穩(wěn)定性。另外,一定量的氮原子摻雜進一步提升了材料的導電性和電化學性能。氮摻雜多層級孔隙碳泡沫/碲(NHPCS/Te)作鋰碲電池正極材料取得了優(yōu)異的倍率性能,在承受10C的超高電流密度之下還能放出195 mAh g~(-1)的比容量。綜上所述,我們通過合理的結構設計,采用三種不同的原料分別構筑了三種形貌獨特且孔結構豐富的多孔碳材料,分別作為活性物質碲的載體,解決了碲在充放電過程中體積膨脹、中間產物溶解的問題,提高了電池的性能,為新型鋰碲電池的研究提供了新思路。
【學位授予單位】：西南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TQ127.11;TM912
【圖文】：

圖 1.1 鋰硫電池結構示意圖[24]。池的研究進展，法國巴黎電子技術公司的 Herbert 與 Ulam 在一篇專利念，鋰硫電池的發(fā)展可追溯至此[29]。，Argonne 國家實驗室的 Birk 和 Steunenberg 開發(fā)了一種溫鋰硫電池[30]。采用鋰作負極，硫或硫化物作正極，電解液，組裝成鋰硫電池。研究中還提到硫在被還原的過間產物。然而，這種電池的實用性面臨著很多挑戰(zhàn)。9 年，以色列特拉維夫大學的 Peled 研究團隊研究了室溫下中的電化學表現(xiàn)，研究發(fā)現(xiàn)富有二氧戊環(huán)的電解液導電性液的導電性高出一個數(shù)量級，且鋰硫電池采用前者作電解項研究為與溶劑相關的氧化還原反應機理提供了新的見解電解質成分的研究奠定了基礎[31]。

圖 1.1 鋰硫電池結構示意圖[24]。硫電池的研究進展2 年，法國巴黎電子技術公司的 Herbert 與 Ulam 在一篇專利中概念，鋰硫電池的發(fā)展可追溯至此[29]。7 年，Argonne 國家實驗室的 Birk 和 Steunenberg 開發(fā)了一種工高溫鋰硫電池[30]。采用鋰作負極，硫或硫化物作正極，熔l 作電解液，組裝成鋰硫電池。研究中還提到硫在被還原的過程中間產物。然而，這種電池的實用性面臨著很多挑戰(zhàn)。1989 年，以色列特拉維夫大學的 Peled 研究團隊研究了室溫下硫液中的電化學表現(xiàn)，研究發(fā)現(xiàn)富有二氧戊環(huán)的電解液導電性要電解液的導電性高出一個數(shù)量級，且鋰硫電池采用前者作電解液這項研究為與溶劑相關的氧化還原反應機理提供了新的見解，的電解質成分的研究奠定了基礎[31]。

內實現(xiàn)新的突破[36-38]。的電化學原理離子電池“搖椅式”嵌鋰-脫鋰機制，Li-S 電池的反還原反應[39]。如圖 1.3 所示，在放電過程中，鋰離子到正極，與 S8發(fā)生反應，先生成中間產物多硫化鋰反應過程如下：[40]S8+ 2 Li++ 2 e-→ Li2S83 Li2S8+ 2 Li++ 2 e-→ 4 Li2S62 Li2S6+ 2 Li++ 2 e-→ 3 Li2S4S4進一步被還原，發(fā)生如下反應：Li2S4+ 2 Li++ 2 e-→ 2 Li2S2Li2S2+ 2 Li++ 2 e-→ 2 Li2S正好相反，電池正極的硫化鋰先被氧化成多硫化鋰解質溶液回到負極。

【參考文獻】

相關期刊論文 前1條

1 刁巖;謝凱;洪曉斌;熊仕昭;;Li-S電池硫正極性能衰減機理分析及研究現(xiàn)狀概述[J];化學學報;2013年04期

本文編號：2804261