鋰硫電池的理論比容量和理論能量密度分別為1675 mAh g^-1和2600 Wh kg^-1,并且硫單質(zhì)具有資源豐富、環(huán)境友好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。因此,鋰硫電池被認(rèn)為是最有前途的二次電池之一。但是硫單質(zhì)的電導(dǎo)率低,反應(yīng)中多硫化物的穿梭效應(yīng),倍率性能差等問題限制了鋰硫電池更大規(guī)模的商業(yè)化和實(shí)際應(yīng)用。納米結(jié)構(gòu)電極的設(shè)計(jì)可以充分發(fā)揮納米結(jié)構(gòu)單元的動(dòng)力學(xué)優(yōu)勢(shì),又體現(xiàn)復(fù)合結(jié)構(gòu)在儲(chǔ)鋰過程中離子/電子傳導(dǎo)、界面穩(wěn)定和電化學(xué)過程穩(wěn)定的設(shè)計(jì)思路,提高電池的綜合性能。基于此,本文從增強(qiáng)硫正極鋰離子傳導(dǎo)能力和化學(xué)吸附多硫化物角度出發(fā),設(shè)計(jì)并合成了三種新型納米結(jié)構(gòu)硫正極材料,提高鋰硫電池的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性,主要結(jié)果如下:（1）為解決高電流密度下硫正極鋰離子傳輸困難的問題,協(xié)同碳材料和二維V₂C-Li作為載硫基質(zhì)合成了柔性自支撐硫正極。該復(fù)合結(jié)構(gòu)中碳材料提供導(dǎo)電骨架和發(fā)揮柔性載體的功能;V₂C-Li作為固硫基質(zhì),利用自身極性對(duì)多硫化物的化學(xué)吸附作用可以有效地抑制穿梭效應(yīng)。最重要的是鋰離子嵌入的V₂C-L... 

【文章來源】：河北大學(xué)河北省

【文章頁數(shù)】：70 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

鋰硫電池工作原理圖

第一章緒論5圖1-2石墨烯-硫復(fù)合材料的合成步驟示意圖Fig.1-2Schematicofthesynthesisstepsforagraphene-sulfurcomposite.碳納米管（CNTs）[43-46]作為一維納米材料，重量輕，六邊形結(jié)構(gòu)連接完美，具有許多優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能。Guo[47]等人用陽極氧化鋁膜作為硬模板，將聚丙烯腈的N,N-二甲基甲酰胺溶液澆灌到模板上烘干、燒結(jié)用氫氧化鈉溶液去除掉氧化鋁模板，得到直徑大約是300nm的中空碳納米管材料。用熔融法將硫單質(zhì)浸漬到中空碳納米管當(dāng)中，制備復(fù)合硫正極材料。得到的復(fù)合硫正極材料在0.25C電流密度下循環(huán)一百圈后容量維持在750mAhg1左右，并且大大提高了電池循環(huán)的庫倫效率。如圖1-3所示Zhao[48]等人用多壁碳納米管（MWNTS）[49-51]為原始材料通過包覆兩層SiO2，內(nèi)層為固體SiO2，外層為多孔SiO2層，并在孔中負(fù)載十八烷基三甲氧基硅烷（C18TMS）作為致孔劑和碳源。然后氬氣氣氛下進(jìn)行煅燒，C18TMS的有機(jī)部分轉(zhuǎn)化為碳，氫氧化鈉溶掉SiO2獲得碳管包碳管的材料（S-TTCN），通過簡(jiǎn)單的熔融法載硫之后裝備電池。在500mAhg1電流密度下表現(xiàn)出918mAhg1的初始比容量（基于硫）或者是50次循環(huán)后容量保持在652mAhg1（基于整體材料）。這種新型的管中管的結(jié)構(gòu)形成了雙層的物理限域，有效的減少活性物質(zhì)的損失，并且能適應(yīng)反應(yīng)過程中活性物質(zhì)的體積變化，提高復(fù)合硫正極材料的穩(wěn)定性，再加上材料整體導(dǎo)電性的提高，大大的提升了鋰硫電池的電化學(xué)性能。

河北大學(xué)碩士論文6圖1-3S-TTCN復(fù)合材料形成的示意圖Fig.1-3SchematicillustrationfortheformationofS-TTCNcomposite.碳納米纖維（CNF）[52-53]是由多層石墨片卷曲而成的纖維狀納米碳材料，具有高的強(qiáng)度、質(zhì)輕、導(dǎo)熱性良好及高的導(dǎo)電性等特性[54-55]。作為碳材料的一種碳納米纖維也被研究人員應(yīng)用到鋰硫電池領(lǐng)域。Zheng等人[56]采用陽極氧化鋁模板法[57-59]以聚苯乙烯為碳源，通過熱碳化過程使得聚苯乙烯在模板上長(zhǎng)成空心的碳納米纖維，因?yàn)橛心０宓拇嬖�，所以熔融法載硫時(shí)大部分的硫都會(huì)在空心結(jié)構(gòu)中，保證了大部分的活性物質(zhì)都會(huì)受到物理限域的作用從而降低穿梭效應(yīng)給電池性能帶來的衰減，大比表面積和高導(dǎo)電性大大提高了活性物質(zhì)的利用率。最后用氫氧化鈉溶液去除掉模板得到空心碳納米纖維載硫復(fù)合材料。150次充放電循環(huán)后，0.2C電流密度下容量保持在750mAhg1，庫侖效率提高到99%以上。如圖1-4，Yuan等人[60]首先通過添加聚乙二醇（PEG）的方法得到了優(yōu)異分散性的空心碳納米纖維，再通過熔融法將硫包覆在空心結(jié)構(gòu)中，這種復(fù)合硫正極材料裝備電池表現(xiàn)1135mAhg1的初始放電容量，并且在循環(huán)四十圈后容量保持率達(dá)到75.3%。圖1-4中空碳納米纖維/硫復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和制造過程示意圖Fig.1-4Schematicofdesignandfabricationprocessofhollowcarbonnanofibers/sulfurcomposite.


本文編號(hào)：3218861