發(fā)布時間：2017-12-20 10:28

  本文關鍵詞：功能化碳材料的設計、制備及其在鋰硫電池中的應用　出處：《山東大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：鋰硫電池超高的理論比容量(1675 mAh g-1)和比能量(2500 wh.kg-1)滿足了人們對開發(fā)新一代化學儲能器件的迫切要求,此外,作為活性物質的硫單質還具備儲量豐富,低毒無害的優(yōu)點,因此,它被認為是最具潛力的二次電池體系之一。然而在現(xiàn)階段,鋰硫電池的商業(yè)化應用依然受到一些尚未克服的難題的困擾,如硫單質及放電產物硫化鋰的電子絕緣性,長鏈多硫化鋰溶入電解液從而引發(fā)的"穿梭效應"以及充放電過程中正極的體積膨脹所造成的結構塌陷等問題導致鋰硫電池比容量低,循環(huán)壽命短,嚴重制約著它的實際應用。針對上述問題,本文從鋰硫電池正極材料的設計方面開展相關工作,制備了多種結構及組成的功能化碳并用作硫的載體,測試與分析了相關硫/碳復合材料的電池性能。主要研究工作如下:(1)在氬氣氛圍下高溫煅燒Te/C納米材料,制備了一種微孔/介孔并存的碳管(HMMCNT),由于該碳管管壁具備豐富的微孔和內部的空腔結構,將其作為硫的載體;利用BET,XPS等表征分析,證實了 HMMCNT微孔中含有少量小分子硫,通過對比HMMCNT-S-50電極材料在不同的電壓窗口測試條件下所得比容量的高低,初步驗證了當復合材料中S8分子,小硫分子S2-4和電解液中硝酸鋰共存的情況下,通過優(yōu)化電壓窗口來提高HMMCNT-S電極材料容量的可行性;另外,在1.4-2.8V的電壓窗口下,測試并分析了當硫負載量為40%和50%時,HMMCNT-S電極的循環(huán)性能和倍率性能。(2)采用磷酸二氫銨作為氮源和磷源,將除掉Te納米線后的碳管與磷酸二氫銨混合均勻后,通過在氬氣氛圍下高溫煅燒使氮、磷元素滲入碳的骨架中,從而制備了一種氮、磷雙原子摻雜的多孔碳管(NPPCNT)并利用吸附試驗和XPS分析證明NPPCNT材料也可以化學吸附多硫化鋰;另外,將NPPCNT和未經過氮磷摻雜的多孔碳管(PCNT)與硫復合共熱后,在含硫量60%的情況下測試并比較了兩者的電化學性能,并以此討論了 NPPCNT作為硫載體材料的優(yōu)點和不足。(3)通過水熱反應在多孔碳管(PCNT)上原位生長了納米CoC03顆粒,將其與硫復合后,所得的PCNT@CoCO3/S-60電極材料展示了優(yōu)良的循環(huán)穩(wěn)定性;另外,將PCNT@CoC03復合材料作為涂層材料修飾隔膜后與NPPCNT/S-60正極組裝電池,在500 mA g-1電流密度下循環(huán)150圈,可逆比容量維持在889 mAh g-1,通過對比在相同電流密度下采用PCNT涂層的電池性能,初步探討了碳酸鈷顆粒用于提高鋰硫電池電化學性能的可行性及存在的不足。(4)從工業(yè)化的角度出發(fā),采用廉價的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和葡萄糖為原料,通過水熱反應和高溫煅燒等方法成功制備了一類氮氧雙原子摻雜的無孔碳材料(NONPCMs),將其用作硫的載體;在不同的硫負載量下,相關NONPCM/S電極材料都展示了優(yōu)良的循環(huán)穩(wěn)定性能,結合理論計算和吸附試驗,證實了當不存在物理吸附的情況下,僅依靠載體表面雜原子化學束縛多硫化鋰的可行性;另外,利用大體積的反應釜,實現(xiàn)了公斤級NONPCM-K前驅體的制備并且相關NONPCM-K/S復合材料也展示了良好的循環(huán)性能,當硫負載量為70%且電流密度為1.6Ag-1時,電池充放電循環(huán)300圈后,放電比容量可維持在540mAhg-1。
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TQ127.11;TM912

【參考文獻】

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1 Juan Zhang;Huan Ye;Yaxia Yin;Yuguo Guo;;Core-shell meso/microporous carbon host for sulfur loading toward applications in lithium-sulfur batteries[J];Journal of Energy Chemistry;2014年03期

2 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

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本文編號：1311767