【摘要】：便攜式移動設備、電動汽車等的快速發(fā)展離不開高能量密度、低成本的二次電池系統(tǒng)。鋰硫電池因其高理論比容量(1675 mA h g~(-1))和高比能量(2600 W h Kg~(-1)),有望成為鋰離子電池的代替者。但已有的問題阻礙了商業(yè)化進程,如硫和硫化鋰的絕緣性導致活性物質硫的實際容量偏低;硫在脫鋰/嵌鋰的過程中,體積變化容易破壞材料結構;充放電中間產(chǎn)物溶解在電解液中,產(chǎn)生穿梭效應并降低電池庫倫效率。如何改變這種狀況才是提升鋰硫電池的實際容量和循環(huán)性能的關鍵。本文考慮到碳纖維具有高比表面積,較高的電子導電性以及纖維網(wǎng)絡具有緩沖體積膨脹的優(yōu)勢,通過靜電紡絲技術等得到多孔石墨化碳/硫復合納米纖維;并在多孔石墨化碳纖維表面生長二硫化鉬并附硫,得到石墨化碳/二硫化鉬@硫復合纖維,以上材料均表現(xiàn)出優(yōu)異性能。本文工作如下:(1)具有3D結構的多孔石墨化碳/硫復合纖維的制備及電化學性能研究。采用氧化鐵作為造孔劑和催化劑,PAN為碳源,通過靜電紡絲技術并對纖維退火、酸化處理,然后以一定比例和硫粉155℃熱處理,得到納米復合纖維。氧化鐵作為造孔劑,使幾納米級別的硫顆粒分散在多孔的復合纖維內(nèi),一方面防止硫顆粒團聚,和碳纖維復合提高其導電性,一方面物理限制硫的反應空間;作為催化劑,使孔隙周圍的碳石墨化,進一步提高導電性。此復合纖維可作為獨立電極。在0.1C電流密度下其初始可逆容量高到1250 mA h g~(-1),1 C倍率下200次循環(huán)后比容量仍維持在720 mA h g~(-1),即使在2 C高充放電倍率下其可逆容量仍達670mA h g~(-1)。(2)石墨化碳/二硫化鉬@硫復合纖維的制備及電化學性能研究。我們在上面提到的多孔石墨化碳纖維表面生長二硫化鉬并附硫,得到石墨化碳/二硫化鉬@硫復合纖維(G-CNFs@MoS_2/S)。鐵氧化合物被腐蝕后留下空間,有效地緩解充放電帶來的體積變化。MoS_2納米片作為充放電反應位點,有效地限制了中間產(chǎn)物多硫化物的擴散,從而緩解了穿梭效應。結果表明該材料表現(xiàn)出良好的電化學性能。其初始比容量在0.1C電流密度下達1351 mA h g~(-1),0.1C下200次循環(huán)后比容量仍維持在910 mA h g~(-1),1C下500次循環(huán)后其可逆容量仍維持在524mA h g~(-1)。
【圖文】：

圖 1.1 鋰二次電池未來市場發(fā)展趨勢圖[4]近年來，隨著鋰離子電池的能量密度與倍率性能的不斷發(fā)展，如圖1.1所示，越來越多的汽車企業(yè)將生產(chǎn)轉向以鋰離子電池為驅動動力的新能源汽車領域。但是，現(xiàn)在的電動汽車仍不能滿足人們對長距離行駛與快速充放電的要求，而商業(yè)化以鎳鈷錳酸 Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2的三元材料能量密度已經(jīng)到達了瓶頸，再難有所突破。為了新能源汽車市場的穩(wěn)步發(fā)展，我們必須開發(fā)新的具有更高能量密度的正極材料來滿足人們對電動汽車長續(xù)航、快速充放電的要求[2]。在眾多的正極材料中，單質硫具有高的理論比容量（1675mAhg-1）和比能量（2600WhKg-1），因此鋰硫電池被認為是最具應用前景的儲能器件之一。1.2 鋰硫電池概述硫是一種非金屬元素，?

1.2 左上角，分子式量為 256。硫在地球上含量豐富，廣泛分布在地球巖石、土壤，以及火山噴發(fā)的沉積物等。硫無毒無害，但難溶于水，，易溶于二硫化碳。硫單是一種絕緣材料，，具有非常低的電導率（0.）。因此，為了發(fā)揮其高能量密度，實現(xiàn)更長的循環(huán)壽命，硫單質不極材料，而是將其與導電骨架復合。由于常溫常壓下，硫單質是固態(tài)與導電材料緊密復合，或者使硫單質更好的滲透到納尺度下的多孔導通常要將硫與導電材料在密封下進行熱處理，單質硫在被加熱時，分度的升高而發(fā)生不同的變化。相關的研究表明，在 150℃-350℃的溫硫的黏度呈現(xiàn)以下特點：溫度加熱到 160℃時，環(huán)狀 S8分子吸收熱量形成長鏈，粘度逐漸升高，當加熱到 190℃時，此時粘度達到最大。硫的長鏈開始斷裂，粘度隨之下降；155℃時，硫的粘度最小。因此選用 155 ℃熱處理密封下的硫復合材料。鋰硫電池不同于傳統(tǒng)的嵌入與脫嵌、插入與脫插模式的鋰離子二次通過正極單質硫和負極鋰之間的化學能來儲存/釋放電能，鋰硫電池是活性硫，負極材料是金屬鋰片，如圖 1.2 所示[5]。充放電機理包含
【學位授予單位】：湘潭大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TB332;TM912

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本文編號：2594626