鋰硫電池作為一種新型二次儲能電池,硫正極比容量高達1675.0 mAh/g,且單質(zhì)硫價格低廉,環(huán)保無毒,受到廣泛的研究和關(guān)注。盡管鋰硫電池擁有以上諸多優(yōu)點,但是其商業(yè)化過程還有許多障礙,包括:單質(zhì)硫電導(dǎo)率較低、容量衰減快、倍率性能差和多硫化物的穿梭效應(yīng)等問題。針對鋰硫電池正極材料存在的問題,本文以存硫、限硫、固硫的思路,設(shè)計、制備并研究了三種不同結(jié)構(gòu)的硫-碳復(fù)合材料,具體研究內(nèi)容如下:（1）制備了空心碳球負載硫（S@CS）復(fù)合材料作為鋰硫電池正極,通過掃描電鏡（SEM）,X射線衍射（XRD）以及透射電鏡（TEM）等對產(chǎn)物形貌、組成和結(jié)構(gòu)進行了表征。實驗結(jié)果顯示,采用模板法結(jié)合化學(xué)縮聚法合成形貌均一、單分散的空心碳球,直徑約為450 nm,壁厚約為25 nm,采用熔融擴散法得到空心碳球負載硫復(fù)合材料,硫的面密度為2.67 mg/cm²。將所制備復(fù)合材料組裝成電池進行電化學(xué)性能測試,結(jié)果表明初始放電容量為1285.0mAh/g,500個循環(huán)后容量為756.2 mAh/g。（2）制備了管中管碳納米結(jié)構(gòu)負載硫（S-TTCN）復(fù)合材料作為鋰硫電池正極材料。實驗結(jié)果顯示,采用... 

【文章來源】：鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院河南省

【文章頁數(shù)】：69 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

鋰硫電池結(jié)構(gòu)

1緒論-3-圖1.2鋰硫電池充放電示意圖但是實際中鋰硫電池硫正極的電極反應(yīng)過程比較復(fù)雜，產(chǎn)生很多中間產(chǎn)物，大致可以分為三步[13-15]。如圖1.2所示，采用的硫單質(zhì)是以８個硫原子首尾相連形成的固態(tài)環(huán)狀結(jié)構(gòu)（S8）。第一步反應(yīng)：在放電的過程中，負極的金屬Li失去電子變?yōu)長i+，正極S8環(huán)狀結(jié)構(gòu)打開，并與Li+結(jié)合生成Li2S8，由于Li2S8具有可溶性，會溶解在電解液中，該過程會產(chǎn)生鋰硫電池放電的第一個平臺，大概占總放電容量的30%，放電電壓大概在2.3V左右；第二步反應(yīng)是Li2S8向更低價的多硫化鋰Li2Sn(2＜n＜8)的轉(zhuǎn)化過程，在這個過程中發(fā)生的是復(fù)雜的歧化反應(yīng)，但放電過程總的來說是向生成更低價的多硫化鋰的方向進行，在這個過程中形成的多硫化物大多是可溶于電解液的；第三步反應(yīng)是可溶于電解液的多硫化鋰向不溶性的Li2Sn(n=1,2)的轉(zhuǎn)變過程，該過程對應(yīng)于鋰硫電池的第二個放電平臺，其放電電壓在1.9-2.1V，這個過程中產(chǎn)生的放電容量是總放電容量的70%[16-20]。如果單質(zhì)硫能按照總的反應(yīng)過程完全轉(zhuǎn)化為Li2S，硫的理論放電比容量可以高達1675mAh/g。1.2.3鋰硫電池的特點由于鋰硫電池具有很多目前商業(yè)化鋰離子電池所不能替代的優(yōu)點，引起了廣泛的研究和關(guān)注。首先，硫儲量豐富、價格低廉，且硫在地殼中含量為0.045%，分布范圍較廣，這也決定了硫的價格較低，存在著潛在商業(yè)化應(yīng)用的價值。其次，硫元素對環(huán)境友好。硫及鋰硫電池的放電產(chǎn)物是對人體和環(huán)境都是無毒無害的，因此，鋰硫電池的使用不會對環(huán)境造成危害。最重要的是，硫的比能量密度和比容量

1緒論-6-試，結(jié)果表明，在0.1C的電流密度下，初始放電容量為1453.0mAh/g，200個循環(huán)之后容量穩(wěn)定在948.0mAh/g。圖1.3制備C-S@PANI流程圖1.4鋰硫電池正極復(fù)合材料的研究進展1.4.1硫-碳納米管復(fù)合材料自從2009年Nazar課題組研發(fā)了用于鋰硫電池正極的高度有序介孔碳材料之后，鋰硫電池的研究有了重大的突破。制備的材料結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.4所示，有序介孔碳(CMK-3)作為碳支撐，采用熔融擴散的方法把硫嵌入到CMK-3中[30]。為了達到更好的接觸效果，對硫與碳納米管的復(fù)合物進行155℃熱處理，在此溫度下，硫具有最小的粘性，包裹在碳納米管的外表面。與簡單地混合硫碳復(fù)合物所得到的正極材料相比，這種155℃制備的硫碳納米管復(fù)合正極表現(xiàn)出更小的電化學(xué)阻抗和更強的循環(huán)穩(wěn)定性。圖1.4CMK-3作為碳支撐制備鋰硫電池正極材料從此以后，有更多關(guān)于采用不同形貌的碳納米管來增強硫正極性能的報道出現(xiàn)。Kaskel課題組首先通過化學(xué)氣相沉積的方法制備復(fù)合碳材料，然后把垂直排列的碳納米管涂覆在泡沫鎳上[31]。碳材料制備流程如圖1.5所示，采用乙烯作為碳源，醋酸鐵、醋酸鉬和醋酸鈷作為催化劑，加入硫溶液并在120℃充分浸泡。這樣得到的碳納米管-硫復(fù)合物可以直接作為無粘結(jié)劑的鋰硫電池正極材料，在40個循環(huán)之后仍能具有穩(wěn)定的放電容量800.0mAh/g。結(jié)果表明在充放電之后，碳納米管始終能保持垂直排列，這種結(jié)構(gòu)保證整個電極的截面處離子和電子能快速擴散。


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