發(fā)布時間：2020-05-31 03:13

【摘要】：近年來隨著新能源汽車以及更多電子設(shè)備的發(fā)展,鋰離子電池的容量即使達到理論值,也無法滿足這些電子設(shè)備對于能源的迫切需求,所以科研工作者們正在努力尋求和研發(fā)具有更高能量密度和更長循環(huán)壽命的電池體系。鋰硫電池正極采用單質(zhì)硫與導(dǎo)電劑的混合物,負極采用金屬鋰,其不僅具有較高的理論比容(1675mAh g~(-1)),而且具有可觀的能量密度(2600 Wh kg~(-1)),所以受到了較為廣泛的關(guān)注。鋰硫電池的廣泛實際應(yīng)用在很大程度上仍受其固有問題的困擾,例如硫和硫化鋰的天然絕緣限制了電化學(xué)反應(yīng)期間的電子轉(zhuǎn)移,導(dǎo)致活性材料利用率差,并且溶解的鋰多硫化物(LiPS)中間體引起不可逆的“穿梭效應(yīng)”,以及電池在充放電過程中所產(chǎn)生的體積膨脹問題導(dǎo)致活性物質(zhì)的脫落而引起較差的循環(huán)穩(wěn)定性能。生物炭一般而言就是從生物材料中發(fā)展而來的一種碳基材料。由于來源廣泛、價格低廉且具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能而受到人們的關(guān)注。對于以上描述的鋰硫電池目前所存在的問題,本論文采用不同的生物質(zhì)炭材料對商業(yè)化隔膜進行改性。本論文主要研究內(nèi)容如下:(1)紅薯基生物質(zhì)炭材料改性鋰硫電池隔膜研究。本實驗通過水熱、冷凍干燥和高溫碳化等步驟制備出紅薯基生物質(zhì)炭材料(SP-CA)。將具有SP-CA改性隔膜的電池以及商業(yè)化PP隔膜的電池性能進行對比。通過SEM、TEM、BET等方法證實了SP-CA是一種含有介孔的多孔碳材料,所以改性隔膜涂層也是一種疏松多孔的碳層。該涂層不僅有利于正極與隔膜之間的接觸,降低界面電阻,同時還可以十分有效的對于聚硫鋰形成一定的阻擋作用,減少電池內(nèi)部的“穿梭效應(yīng)”。實驗結(jié)果表明,在0.1C條件下初始放電容量為1216mAh g~(-1),1C放電1000次后可逆放電容量保持在431mAh g~(-1),庫侖效率超過95.3%。(2)柚皮基生物質(zhì)炭材料改性鋰硫電池隔膜研究。本實驗選用柚皮作為原材料制備出柚皮基生物質(zhì)炭材料(PPCA)。將PPCA運用到鋰硫電池的隔膜改性當(dāng)中,研究改性隔膜對于電池性能的提升。通過SEM、TEM等方法觀察到改性隔膜涂層是一種疏松多孔的碳層。該涂層不僅可以抑制循環(huán)過程中多硫化物中間體的“穿梭效應(yīng)”,降低電池電阻,還可以充當(dāng)上部集電器以提高硫的利用率。電池在1C倍率下循環(huán)500圈后的可逆放電比容量仍然達到457.9mAh g~(-1)。當(dāng)倍率增大到2C時,電池放電容量依舊保持在644.1mAh g~(-1)。(3)元素摻雜柚皮基生物質(zhì)炭材料改性鋰硫電池隔膜研究。本實驗采用浸漬法和高溫碳化法將氮元素和硼元素摻雜到柚皮基生物質(zhì)炭材料的骨架當(dāng)中。BET測試結(jié)果表明摻雜使得材料的比表面積得到了較大的提升,這對于聚硫鋰的吸附起到了一定的促進作用。XPS測試顯示氮元素與硼元素與碳材料的骨架形成了良好的結(jié)合,說明元素摻雜達到了預(yù)期的效果。使用摻雜后的碳材料作為改性商業(yè)PP隔膜的涂層。該涂層一方面可以通過物理作用吸附聚硫鋰,還可以通過化學(xué)作用與聚硫鋰之間形成一定的化學(xué)吸附,更加有效的固定多硫化物,抑制“穿梭效應(yīng)”的產(chǎn)生。電池在1C倍率下經(jīng)過500次長時間循環(huán)后放電容量由未摻雜前的457.9mAh g~(-1)提升到581.1mAh g~(-1),2C條件下的放電容量也由原來的644.1mAh g~(-1)升高到748.7mAh g~(-1)。
【圖文】：

圖 1.1 鋰硫電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖.1.1 Internal structure of lithium-sulfur ba理果存在于正極的活性物質(zhì)硫和負極的鋰整個電池內(nèi)部的氧化還原反應(yīng)的過程分以單質(zhì)的形式存在，室溫條件下，多且結(jié)構(gòu)十分的豐富。S8是這些不同結(jié)構(gòu)中中，，環(huán)狀 S8很難一步形成 Li2S，通過個階段的過程主要是長鏈硫向短鏈硫過程中的兩個電壓平臺。首先，存在于

江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文3V 左右的高壓放電平臺處，來自負極的 Li+和 S8進行反應(yīng)，得到物 Li2Sx(4≤x≤8)易于溶解在電池的電解液中。這些長鏈的反應(yīng)中間.1V的低壓放電平臺處，進一步發(fā)生反應(yīng)最終形成不溶于電解液的 Li2S[18]。而鋰硫電池的充電過程則是上述反應(yīng)過程的逆反應(yīng)。鋰硫?qū)W反應(yīng)過程如圖 1.2 所示。
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB383.2;TM912

【參考文獻】

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本文編號：2689187