隨著電動汽車和智能電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,傳統(tǒng)的鋰離子電池越來越難以滿足人們對高能量儲能體系的迫切需求。鋰硫電池的理論比容量高達(dá)1675 m Ah g^-1,理論能量密度達(dá)到2500 Wh kg^-1,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前的商業(yè)化鋰離子電池,且鋰硫電池的正極材料硫資源豐富且環(huán)境友好,因此,鋰硫電池被視為最有潛力的下一代儲能技術(shù)。但是,鋰硫電池中也存在著諸多固有缺陷,如:正極單質(zhì)硫和放電產(chǎn)物硫化鋰的導(dǎo)電性較差;反應(yīng)過程中伴隨著較大的體積變化;充放電中間產(chǎn)物可溶性多硫化鋰的“穿梭效應(yīng)”等。因此,本文基于含鈦碳纖維材料,進(jìn)行了一系列的納米結(jié)構(gòu)設(shè)計,通過結(jié)構(gòu)調(diào)控,制備了兩種新穎的鋰硫電池自支撐正極,并研究了其電化學(xué)性能。本文的主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:1.以氧化鈦碳纖維復(fù)合材料為基底（TiO₂-CNFs）,使用模板法在每一根纖維上原位引入氮化鈦層和碳層,從而構(gòu)筑了一種具有蛋黃-蛋殼（yolk-shell）結(jié)構(gòu)的TiO₂-CNFs@void@Ti N@C自支撐纖維膜。通過改進(jìn)的熔融擴(kuò)散法,可以將單質(zhì)硫滲入到TiO₂

【文章來源】：鄭州大學(xué)河南省 211工程院校

【文章頁數(shù)】：76 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

鋰硫電池充放電機(jī)理圖

1.緒論3基于上述反應(yīng)電化學(xué)反應(yīng)，鋰硫電池有兩個明顯的放電平臺，第一個放電平臺包括了在電壓為2.39V時Li2S8的形成和電壓為2.37V時Li2S6的形成。第二個放電平臺在2.1V左右，對應(yīng)與液態(tài)Li2S4到固態(tài)Li2S2和Li2S的轉(zhuǎn)變，如圖1.1所示[19]。1.2.2鋰硫電池中存在的問題盡管鋰硫電池有著超高的理論能量密度，近年來鋰硫電池相關(guān)的研究工作也有極大的進(jìn)步，但鋰硫電池在邁進(jìn)商業(yè)化的進(jìn)程中仍然面臨諸多問題。除了面臨枝晶鋰和不穩(wěn)定的SEI膜的形成以及所存在的安全隱患等這些與鋰離子電池相似的問題之外[20]（圖1.1），鋰硫電池還存在許多固有的缺陷，如正極硫的低導(dǎo)電性，多硫化鋰的穿梭效應(yīng)等。而且，當(dāng)正極中硫質(zhì)量百分比的提升和單位面積負(fù)載量增加時，這些固有的缺陷會更加凸顯。圖1.2鋰硫電池面臨的問題[20]Figure1.2ChallengesinLi-Sbatteriessystem.根據(jù)鋰硫電池的反應(yīng)機(jī)理與實(shí)際的實(shí)驗探索，想要實(shí)現(xiàn)鋰硫電池的商業(yè)化應(yīng)用，研究者們所需要解決的主要問題有三個[21-23]：（1）單質(zhì)硫和其還原產(chǎn)物的導(dǎo)電性很差：單質(zhì)硫在常溫下的導(dǎo)電性僅為5×10-30Scm1，導(dǎo)致電子和離子在電池材料之間的傳輸效率很差，進(jìn)而影響電池的電化學(xué)循環(huán)性能和倍率性能。不僅如此，由于放電過程中硫的還原產(chǎn)物L(fēng)i2S2

2.TiO2-CNFs@void@TiN@C蛋黃-蛋殼纖維的制備及其在鋰硫電池中的電化學(xué)性能研究14學(xué)工作站進(jìn)行測試，CV掃速為0.1mVs1范圍為掃描電壓范圍為1.7-2.7V，EIS測試的掃描范圍為10mHz-200kHz。電池的恒流充放電測試是在藍(lán)電（CT2001A）電池測試系統(tǒng)中進(jìn)行，電壓范圍為1.7V-2.7V。將硫化鋰和硫粉（摩爾比1:5）加入到普通鋰硫電解液中制備0.2molL1的Li2S6電解液溶液。對稱電池使用正負(fù)極使用質(zhì)量相同的不含硫極片，然后滴加30μL上述Li2S6電解液溶液。2.2.5可視化多硫化鋰吸附實(shí)驗將50mLDOL和50mLDME加入樣品瓶中，然后加入23mg硫化鋰（Li2S）和80mg升華硫粉，在手套箱中攪拌12h后，得到5mmolL1的Li2S6溶液。取TiO2-CNFs@void@TiN@C，TiO2-CNFs@void@TiO2@C，TiO2-CNFs，CNFs各15mg碾碎后加入小瓶中，然后在每個小瓶中加入5mLLi2S6溶液，搖晃后靜置，觀察顏色變化。透明電池使用金屬鋰片為負(fù)極，TiO2-CNFs@void@TiN@C/S和CNFs/S分別作正極安裝于透明電池槽，然后使用藍(lán)電測試系統(tǒng)進(jìn)行充放電測試，觀察電解液中的多硫化鋰擴(kuò)散現(xiàn)象。2.3結(jié)果與討論2.3.1TiO2-CNFs@void@TiN@C的結(jié)構(gòu)與形貌TiO2-CNFs@void@TiN@C蛋黃-蛋殼纖維結(jié)構(gòu)的合成策略如下圖2.1所示：圖2.1TiO2-CNFs@void@TiN@C蛋黃-蛋殼纖維結(jié)構(gòu)的合成策略Figure2.1SynthesisprocessoftheTiO2-CNFs@void@TiN@Ccomposite通過靜電紡絲法和后續(xù)的碳化處理可以得到均勻的TiO2-CNFs纖維膜，以TiO2-CNFs纖維膜為基底，采用硬模板法可以對纖維的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。首先將一層SiO2作為模板原位包覆在TiO2-CNFs的表面。圖2.2展示了TiO2-CNFs


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