發(fā)布時間：2020-07-11 11:03

【摘要】：隨著世界人口的不斷增長和經(jīng)濟的迅速發(fā)展,人們對能源的需求日益增加。傳統(tǒng)不可再生化石燃料的日益枯竭及其造成的嚴重環(huán)境污染問題,亟需開發(fā)可再生的清潔能源及其存儲體系。鋰硫電池以高的理論比電容(1675 mAh g~(-1))和能量密度(2600 Wh kg~(-1))、環(huán)境友好和價格低廉等優(yōu)勢,有望替代鋰離子電池成為下一代能源存儲系統(tǒng)。然而,鋰硫電池的實際應用仍受到諸多問題的制約,其中最為嚴峻的是硫的電化學反應中間產(chǎn)物多硫化鋰的穿梭效應、負極鋰枝晶生長導致的嚴重安全問題。本學位論文基于MoS_2納米片,設計、制備了四種新型結(jié)構(gòu)的鋰硫電池功能夾層材料,研究了功能夾層對抑制多硫化鋰穿梭、加速鋰離子擴散、抑制鋰枝晶生長的影響,取得了如下研究成果:(1)采用一步水熱法制備了放射狀少層MoS_2微球(3D MoS_2),并作為鋰硫電池正極夾層。MoS_2納米片組裝在三維框架中有效地防止了堆疊、團聚,提高了對多硫化鋰的吸附效率,同時開放、有序的3D結(jié)構(gòu)促進了鋰離子擴散,降低了界面阻抗�；�3D MoS_2夾層組裝的電池循環(huán)600圈后的比電容保持率為62.6%,比電容衰減率降低至每圈0.06%。(2)通過水相反應合成了聚多巴胺包覆3D MoS_2微球,經(jīng)高溫煅燒制備了具有核殼結(jié)構(gòu)的氮原子摻雜碳包覆3D MoS_2微球(MoS_2@NC)正極夾層材料。這種核殼結(jié)構(gòu)結(jié)合了多硫化鋰催化劑MoS_2與導電碳的特點,提高了多硫化鋰的轉(zhuǎn)化速率,抑制了多硫化鋰的穿梭,從而顯著提高了鋰硫電池的循環(huán)穩(wěn)定性,在循環(huán)1500圈后的比電容保持率為50.5%,比電容衰減率低至每圈0.033%。(3)設計、制備了具有核殼結(jié)構(gòu)的MoS_2納米片包覆介孔SiO_2微球(SiO_2@MoS_2),并作為鋰硫電池正極夾層。利用介孔SiO_2良好的電解液浸潤性與MoS_2優(yōu)異的多硫化鋰吸附能力,實現(xiàn)了夾層材料抑制多硫化鋰穿梭、促進鋰離子遷移的平衡�；赟iO_2@MoS_2夾層組裝的電池具有良好的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性,循環(huán)2500圈后的比電容保持率為44.7%,衰減率僅為每圈0.028%。與MoS_2納米片夾層、介孔SiO_2夾層進行比較研究,為制備高性能功能夾層材料的結(jié)構(gòu)設計提供了新思路。(4)采用層層自組裝方法,將聚二甲基二烯丙基氯化銨(PDDA)-納米MoS_2雜化物和聚丙烯酸均勻有序地吸附在商業(yè)隔膜兩側(cè),制備了層狀復合超輕夾層材料,其中聚丙烯酸層的物理屏蔽和化學吸附作用能夠阻隔多硫化鋰的穿梭,而結(jié)構(gòu)堅固、具有鋰離子傳導能力的MoS_2層可增強隔膜的力學性能、抑制鋰枝晶生長。該方法制備的隔膜夾層具有超輕的特點(0.10 mg cm~(-2)),該隔膜夾層所組裝的鋰硫電池表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性,在2000次循環(huán)中每次循環(huán)的比電容衰減率僅為0.029%,為鋰硫電池隔膜夾層材料的制備提供了一種簡單、經(jīng)濟、可規(guī)�；男路椒�。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TM912;TB34
【圖文】：

才能滿足商業(yè)化應用的要求。電池工作原理電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和充放電過程如圖 1-1 所示。通常地，使用鋰金屬為極，電解液為摻雜鋰鹽的醚類溶劑，正極與負極之間用絕緣的多孔硫單質(zhì)的電導率很低(10-30S cm-1)，因此有必要與電導率較高的載體電池的電化學反應始于硫單質(zhì)的放電。在放電過程中，鋰金屬負極失，鋰離子經(jīng)過電池內(nèi)部擴散到正極。與此同時，電子通過外部電路達。正極的硫單質(zhì)得到電子并與鋰離子反應，生成硫化鋰。在電池充電電子分別通過電池內(nèi)部和外部返回負極，電能轉(zhuǎn)換為化學能而得以： 16Li 16Li++ 16e-： S8+ 16Li++ 16e- 8Li2S應： 16Li + S8 8Li2S

圖 1-2 鋰硫電池的典型充放電平臺曲線圖[8]Fig. 1-2 Theoretical charge-dischage profiles of Li-S battery[8].池面臨的挑戰(zhàn)電池具有能量密度高、價格低廉、環(huán)境友好等優(yōu)點，但投入實關(guān)鍵障礙：質(zhì)及其還原產(chǎn)物的導電性：硫單質(zhì)的室溫電導率僅為 10-30S 化學反應，降低了活性材料的利用率。因此硫正極中需要添加大與導電材料充分接觸和均勻分散。不僅如此，硫的還原產(chǎn)物 導致固態(tài)(Li2S2)→固態(tài)(Li2S)的反應十分困難，在高電壓平臺生還原為 Li2S，最終還原產(chǎn)物一般為 Li2S2和 Li2S 的混合物[9-11]際應用中難以完全發(fā)揮容量，實際容量利用率不足理論比電容導電材料中的分散以及調(diào)控還原產(chǎn)物 Li2S2/Li2S 在界面的沉積手段。

h 等人[23]首次制備了具有介孔殼層的中空碳球載體，并通過硫升球中(圖 1-3(a))。其介孔殼層有利于電解液的滲透，而核殼結(jié)構(gòu)的流出。同時部分石墨化的碳球具有很高的電導率，保證了其硫/碳復合正極材料可以穩(wěn)定循環(huán) 100 圈。此后，不同種類和尺用作鋰硫電池的正極導電載體。例如：新加坡南洋理工大學樓雄中空球硬模板法，制備了一種雙層介孔殼中空碳球(圖 1-3(b))以隔。Zhou 等人[25]研究了中空介孔碳球中的介孔孔徑和活性物質(zhì)使用場掃描透射電子顯微鏡(STEM)電子束分別照射孔徑為 2.8、碳球/硫復合材料，發(fā)現(xiàn) 3.2 和 4.1 nm 介孔殼中空碳球里的硫在通過殼上的孔洞逸出。而 2.8 nm 介孔殼中空碳球無此現(xiàn)象，證硫的包封。值得注意的是，中空結(jié)構(gòu)降低了鋰硫電池的體積能的載硫量也不容易精確控制。因此中空碳球的結(jié)構(gòu)設計和載硫

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本文編號：2750318