鋰硫電池因其超的理論能量密度(2600Wh kg^-1),被公認為是一種極具發(fā)展前景的二次儲能電池。但鋰硫電池固有的導電性差、穿梭效應(yīng)、體積效應(yīng)、電解液/硫比以及較低載硫量等問制約了鋰硫電池的實際應(yīng)用。本文針對鋰硫電池固有問,將石墨烯應(yīng)用于鋰硫電池隔膜涂層、復合材料硫載體,并同時探究二者在鋰硫電池中的協(xié)同作用等三個方面開展實研究,提升鋰硫電池電化學性能。（1）以純硫單質(zhì)作為正極主體材料,引入石墨烯空心球隔膜涂層。石墨烯空心球涂層隔膜對多硫化物具有明顯的吸附作用與阻擋作用,能夠有效的將多硫化物固定在正極一側(cè),防止其穿梭至負極與金屬鋰發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生穿梭效應(yīng)。采用石墨烯空心球涂層隔膜的鋰硫電池0.2C循環(huán)200次后的放電容量為829.6 Ah g^-1,容量保持率為70.76%。穿梭效應(yīng)的緩解可以提升鋰硫電池的庫倫效率以及循環(huán)穩(wěn)定性,從而提升鋰硫電池電化學性能。（2）以多功能石墨烯/SO₂復合材料空心球作為硫載體。復合材料硫載體的空心球結(jié)構(gòu)能夠緩沖鋰硫電池正極活性物質(zhì)的體積變化,緩解體積效應(yīng);空心球的中空結(jié)構(gòu)為實現(xiàn)載硫量提供了空間... 

【文章來源】：西南科技大學四川省

【文章頁數(shù)】：59 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

(a)世界和中國化石能源估剩余可用時間；(b)常見儲能電池的能量密度對比

1緒論31.2.2鋰硫電池的工作原理鋰硫電池是利用單質(zhì)硫與金屬鋰反應(yīng)最終生成Li2S進行放電，在充電過程中Li2S最終生成硫單質(zhì)的復雜反應(yīng)過程[32-33]。鋰硫電池充放電原理示意圖如圖1-3所示：圖1-3鋰硫電池充放電原理示意圖Fig.1-3SchematicdiagramofcharginganddischargingprincipleofLi-Sbattery.圖1-4為典型鋰硫電池充放電過程曲線圖。鋰硫電池放電反應(yīng)是由單質(zhì)硫被還原最終生成Li2S的過程，放電反應(yīng)的總方程式如式1-1所示。S8+16Li++16e-8Li2S（式1-1）鋰硫電池的放電是一個復雜的過程，目前普遍將鋰硫電池的放電過程分為以下四個階段。階段一：單質(zhì)硫(-S8)被還原成Li2S8，此過程是由固相到液相轉(zhuǎn)變的過程。俆先，-S8的環(huán)狀結(jié)構(gòu)由于鋰離子的插入而斷裂開來形成長鏈結(jié)構(gòu)的Li2S8，-S8被還原生成液相的Li2S8。此階段的反應(yīng)方程式如式1-2所示。S8+2Li++2e-Li2S8（式1-2）階段二：Li2S8繼續(xù)與Li+反應(yīng)會被還原成液相的長鏈多硫化物Li2S(47)，此階段為液相到液相的反應(yīng)。此過程中，Li2S8先被還原成Li2S6，然后Li2S6繼續(xù)被還原成Li2S4，此過程的綜合反應(yīng)方程式如式1-3所示。該過程中的兩步綜合反應(yīng)的平均電壓約為2.3V，對應(yīng)著鋰硫電池放電曲線中在2.3V左右的第一個平臺，此階段的理論比容量為418Ahg-1。由于中間相多硫化物極易溶于鋰硫電池采用的醚基電解液中，所以會導致中間相多硫化物在電場和濃度梯度的作用下穿過隔膜到達負極一側(cè)與金屬鋰發(fā)生反應(yīng)，造成可逆活性物質(zhì)減少，從而導致低循環(huán)壽命和低庫倫效率，其中，鏈更長的儈階多硫化物Li2S6相較于Li2S4更易溶于電解液。Li2S8+2Li++2e-2Li2S4（式1-3）階段三：Li2S4進一步被還原生成固態(tài)的Li2S2和少部分Li2S，此階段為液相?

胤諾縝?咧?.1V左右的長平臺，此階段的理論比容量約為1254Ahg-1。Li2S4+2Li++2e-2Li2S2（式1-4）階段四：Li2S2和Li2S固相到固相的轉(zhuǎn)變，由Li2S2徹底轉(zhuǎn)變?yōu)榉烹娮罱K產(chǎn)物Li2S后放電反應(yīng)結(jié)束。此過程對應(yīng)的反應(yīng)方程式如式1-5所示。Li2S2+2Li++2e-2Li2S（式1-5）鋰硫電池的充電反應(yīng)相較于放電反應(yīng)沒有那么復雜，主要分為兩個階段。階段一：由固相Li2S和Li2S2氧化成液相多硫化物Li2S(38)，此階段為固相到液相的轉(zhuǎn)變過程。階段二：液相多硫化物Li2S(38)被氧化成固相的-S8，充電反應(yīng)結(jié)束。圖1-4典型鋰硫電池充放電過程曲線圖Fig.1-4TypicalcharginganddischargingprocesscurvesofLi-Sbattery.1.2.3影響鋰硫電池性能的因素(1)穿梭效應(yīng)由鋰硫電池的充放電曲線可以看到鋰硫電池在放電過程中存在兩個平臺。其中，在2.3V左右的放電平臺對應(yīng)的是Li2S8向液相的長鏈多硫化物Li2S(47)轉(zhuǎn)變的液相平臺。此過程中，液相多硫化物極易溶于電解液中，溶解在電解液中的多硫化物聚集在正極一側(cè)，在電場和濃度梯度的作用下，多硫化物會穿過隔膜擴散到負極一側(cè)。擴散到負極的多硫化物與金屬鋰直接發(fā)生反應(yīng)會導致儈階的多硫化物自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗A多硫化物，導致嚴重的自放電現(xiàn)象，最終部分多硫化物會形成導電性差的Li2S2和Li2S鈍化層附著在金屬鋰表面，導致負極導電性能變差；同時，鈍化層的形成會造成部分正極活性物質(zhì)的損失以及金屬鋰表面的腐蝕，進而導致鋰硫電池庫倫效率差、循環(huán)性能差以及產(chǎn)生影響安全性的鋰枝晶等問[34-36]。(2)體積效應(yīng)鋰硫電池正極活性物質(zhì)S8(2.36gc-3)以及放電最終產(chǎn)物Li2S(1.66gc-3)之間約有80%的體積變化[37-39]。在經(jīng)過多次的充放電循環(huán)后，反復的收縮與膨脹易導致正極材料與集流體間

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本文編號：3320088