硒摻雜的硫化聚丙烯腈在高比能鋰硫/室溫鈉硫電池中的應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間：2022-01-06 13:52
硫作為正極材料,理論比容量高達(dá)1675 mAh g-1;同時(shí),硫的資源豐富,價(jià)格低廉,對(duì)環(huán)境友好。硫正極與金屬陽(yáng)極鋰或鈉匹配,形成的鋰硫（Li-S）電池和室溫鈉硫電池（RT Na-S）是非常有潛力的高能量密度電池體系。目前,鋰硫電池或室溫鈉硫電池在實(shí)際應(yīng)用方面還存在一些問(wèn)題,包括硫單質(zhì)的絕緣性以及多硫化物的“穿梭效應(yīng)”等。研究表明將聚丙烯腈聚合物與硫單質(zhì)在一定溫度下復(fù)合,得到的硫化聚丙烯腈（S@pPAN）作為鋰硫電池或室溫鈉硫電池中的正極材料,能一定程度上抑制多硫化物的溶解。硒作為硫的同族元素,電子電導(dǎo)率遠(yuǎn)高于硫,同時(shí)本身也可以應(yīng)用在高倍率的鈉硒電池中。因此,我們提出將硒作為“共熔加速劑”引入到S@pPAN中,提高S@pPAN的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和電化學(xué)性能。并對(duì)這種硒摻雜的S@pPAN復(fù)合正極材料的儲(chǔ)鋰或儲(chǔ)鈉性能做了以下兩點(diǎn)研究:（1）分析了不同溫度下合成的SeS2@pPAN復(fù)合材料的形貌結(jié)構(gòu)差異與電化學(xué)性能的區(qū)別。結(jié)果表明450℃下合成的SeS2@pPAN正極材料,理論比容量最高,在酯類電解液中的電化學(xué)性能最好。同時(shí),該復(fù)合...
【文章來(lái)源】：華中科技大學(xué)湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁(yè)數(shù)】：81 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
典型二次電池的理論能量密度和實(shí)際能量密度對(duì)比圖
圖 1.2 (a) Li-S 電池的充放電過(guò)程示意圖[10]，(b) Li-S 電池的充放電機(jī)理圖[11]。Figure 1.2 (a) Schematic diagram of a Li-S cell with its charge/discharge operations[10], (b) Electrochemistry of sulfur showing an ideal charge-discharge profile[11].1.3 鋰硫電池存在的問(wèn)題雖然硫正極與鋰負(fù)極可以匹配成高比能 Li-S 電池，但是其中也存在一些固有的缺點(diǎn)，會(huì)引起人們對(duì)其安全性和成本效益的擔(dān)憂。硫正極方面存在的主要問(wèn)題為：（1）硫的電子電導(dǎo)率低（5×10-30S cm-1）以及放電產(chǎn)物 Li2S 的絕緣特性導(dǎo)致傳遞電荷遇到阻礙，活性材料的利用率很低；（2）長(zhǎng)鏈的多硫化物 Li2Sx(x=4-8)易溶解到醚類電解液中，其中有一些在放電結(jié)束后不會(huì)重新回到正極，導(dǎo)致在鋰化過(guò)程中容量的快速衰減；（3）單質(zhì)S8的密度為2.03 g cm-3，完全放電產(chǎn)物 Li2S 的密度是 1.66 g cm-3。反應(yīng)過(guò)程中，正極材料 S8轉(zhuǎn)化為 Li2S，發(fā)生約 80%的體積膨脹，較大的體積變化會(huì)使得電極結(jié)構(gòu)遭到破壞，造成活性物質(zhì)
這種核殼結(jié)構(gòu)的 S-GO 作為正極材料，電池在 0.6C 下能穩(wěn)定循環(huán) 1000 次，比容仍然還有 800 mAh g-1。4.1.3 三維碳/硫復(fù)合材料三維碳/硫結(jié)構(gòu)中有代表性的工作之一是 2009 年 Nazar 團(tuán)隊(duì)合成了內(nèi)孔體積為2 cm3g-1，比表面積高達(dá) 2445 m2g-1的球形有序介孔炭[20]應(yīng)用于 Li-S 電池。他使用 CMK-3 作為介孔碳支架，這種介孔碳是由一排 6.5nm 的空心碳棒組成，這碳棒由 3-4nm 的通道空隙隔開(kāi)。由于硫在 155℃下的粘度最低，所以在該溫度下，通過(guò)熔融擴(kuò)散的方法滲透到 CMK-3 結(jié)構(gòu)中，與導(dǎo)電碳壁保持緊密接觸。通過(guò)使 CMK-3 的介孔結(jié)構(gòu)來(lái)捕捉多硫化物，Nazar 團(tuán)隊(duì)證明了 Li-S 電池可以在 0.1C 的率下穩(wěn)定循環(huán) 20 圈，比容量高達(dá) 1005 mAh g-1。用親水性的聚乙二醇對(duì)碳材料表進(jìn)行改性可以將比容量提高到 1320 mAh g-1。這項(xiàng)工作促進(jìn)了 Li-S 電池領(lǐng)域的快發(fā)展，尤其是在利用高導(dǎo)電碳封裝硫正極方面。
本文編號(hào)：3572574
【文章來(lái)源】：華中科技大學(xué)湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁(yè)數(shù)】：81 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
典型二次電池的理論能量密度和實(shí)際能量密度對(duì)比圖
圖 1.2 (a) Li-S 電池的充放電過(guò)程示意圖[10]，(b) Li-S 電池的充放電機(jī)理圖[11]。Figure 1.2 (a) Schematic diagram of a Li-S cell with its charge/discharge operations[10], (b) Electrochemistry of sulfur showing an ideal charge-discharge profile[11].1.3 鋰硫電池存在的問(wèn)題雖然硫正極與鋰負(fù)極可以匹配成高比能 Li-S 電池，但是其中也存在一些固有的缺點(diǎn)，會(huì)引起人們對(duì)其安全性和成本效益的擔(dān)憂。硫正極方面存在的主要問(wèn)題為：（1）硫的電子電導(dǎo)率低（5×10-30S cm-1）以及放電產(chǎn)物 Li2S 的絕緣特性導(dǎo)致傳遞電荷遇到阻礙，活性材料的利用率很低；（2）長(zhǎng)鏈的多硫化物 Li2Sx(x=4-8)易溶解到醚類電解液中，其中有一些在放電結(jié)束后不會(huì)重新回到正極，導(dǎo)致在鋰化過(guò)程中容量的快速衰減；（3）單質(zhì)S8的密度為2.03 g cm-3，完全放電產(chǎn)物 Li2S 的密度是 1.66 g cm-3。反應(yīng)過(guò)程中，正極材料 S8轉(zhuǎn)化為 Li2S，發(fā)生約 80%的體積膨脹，較大的體積變化會(huì)使得電極結(jié)構(gòu)遭到破壞，造成活性物質(zhì)
這種核殼結(jié)構(gòu)的 S-GO 作為正極材料，電池在 0.6C 下能穩(wěn)定循環(huán) 1000 次，比容仍然還有 800 mAh g-1。4.1.3 三維碳/硫復(fù)合材料三維碳/硫結(jié)構(gòu)中有代表性的工作之一是 2009 年 Nazar 團(tuán)隊(duì)合成了內(nèi)孔體積為2 cm3g-1，比表面積高達(dá) 2445 m2g-1的球形有序介孔炭[20]應(yīng)用于 Li-S 電池。他使用 CMK-3 作為介孔碳支架，這種介孔碳是由一排 6.5nm 的空心碳棒組成，這碳棒由 3-4nm 的通道空隙隔開(kāi)。由于硫在 155℃下的粘度最低，所以在該溫度下，通過(guò)熔融擴(kuò)散的方法滲透到 CMK-3 結(jié)構(gòu)中，與導(dǎo)電碳壁保持緊密接觸。通過(guò)使 CMK-3 的介孔結(jié)構(gòu)來(lái)捕捉多硫化物，Nazar 團(tuán)隊(duì)證明了 Li-S 電池可以在 0.1C 的率下穩(wěn)定循環(huán) 20 圈，比容量高達(dá) 1005 mAh g-1。用親水性的聚乙二醇對(duì)碳材料表進(jìn)行改性可以將比容量提高到 1320 mAh g-1。這項(xiàng)工作促進(jìn)了 Li-S 電池領(lǐng)域的快發(fā)展，尤其是在利用高導(dǎo)電碳封裝硫正極方面。
本文編號(hào)：3572574
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