鋰硫電池碳復合正極材料的制備與性能研究
發(fā)布時間：2022-01-11 20:22
隨著科學技術的快速發(fā)展,工業(yè)和便攜式電子設備領域對能源存儲系統(tǒng)提出了更高的需求。與傳統(tǒng)鋰離子電池（LIB）相比,鋰硫電池（Li-S）因其具有更高的理論能量密度（大約是商業(yè)化鈷酸鋰電池的五倍）以及更低的成本而在下一代二次電池儲能系統(tǒng)中被科研人員寄予厚望,但由于循環(huán)穩(wěn)定性較差、硫利用率較低以及充放電過程中多硫化物溶解于電解液引起的穿梭效應等問題嚴重阻礙了其商業(yè)化應用。深入研究碳/硫復合正極材料是解決上述問題的關鍵因素。本文采用三種不同的碳基材料與硫進行復合,主要研究內容如下:（1）以生物質碧根果殼作為碳源,經過氫氧化鉀（KOH）活化過程,獲得了一種具有超高比表面積（2163.776 m2/g）和合適總孔隙體積（1.048 cm3/g）的原位氮摻雜多孔碳材料。眾多微孔為硫的吸附提供了大量的活性位點,并在循環(huán)過程中有效地改善了體積膨脹的問題;同時,摻雜的氮元素促進了對多硫化物的吸附,提高了碳骨架的導電性。除此之外,進一步研究了不同硫含量對鋰硫電池性能的影響。當硫含量為55%時其循環(huán)穩(wěn)定性和硫利用率最高,在0.1 C和1 C的電流密度下,初始放電容量高...
【文章來源】：電子科技大學四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數】：85 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
鋰硫電池與傳統(tǒng)鋰離子電池能量密度之比
第一章緒論3極和電池結構，并了解到了鋰硫電池的反應機理以及循環(huán)壽命差的原因。程杰等人在2007年通過合成高比表面積和大孔體積的介孔碳材料作為碳基體進行載硫，其孔道結構極大地緩解了充放電循環(huán)過程中形成的中間產物多硫化鋰的溶解，同時大孔體積減輕了循環(huán)過程中引起的體積膨脹，這為鋰硫電池正極材料的研究提出了新方向[26]。Nazar等人在2009年成功合成了介孔碳(CMK-3)材料，將其與硫復合作為鋰硫電池正極材料。在一定程度上解決了硫與最終放電產物Li2S2和Li2S導電性差的問題，同時有效地抑制了穿梭效應的形成[27]，這為鋰硫電池正極材料的發(fā)展做出了巨大貢獻。2010年Mikhaylik總結了鋰硫電池技術的現狀，將其與美國AdvancedBatteryConsortium(USABC)制定的鋰硫電池規(guī)格相比，其滿足了質量能量密度、質量功率密度和低溫性能的要求；然而體積能量密度、倍率性能和充電時間難以達到預期目標，同時循環(huán)壽命和高溫性能遠遠低于最低要求，這些不足限制了鋰硫電池技術的廣泛應用[28]。自那時起，鋰硫電池成為了能源領域內科研人員和企業(yè)家的重點關注對象，研發(fā)一種充電時間短、循環(huán)壽命長、能量密度高的鋰硫電池已經迫不及待了。圖1-2近十年來鋰硫電池的Paper出版數量(2020年5月12日檢索于WebofScience)1.2.3鋰硫電池基本結構及工作原理鋰硫電池一般是由鋰金屬負極、硫復合正極、電解液和隔離電極的隔膜所組成[7]。硫元素作為鋰硫電池中的活性材料，以多種同素異形體的形式存在，其中以S8的結構最為穩(wěn)定。因此，我們通常使用粘結劑將S8與導電碳材料混合制成碳硫
電子科技大學碩士學位論文4復合正極，但傳統(tǒng)鋰離子電池所使用的碳酸鹽類電解液并不適用于鋰硫電池，因為在這類電解液中多硫化物的化學性質不穩(wěn)定，所以現在大多采用雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰為電解質導電劑，同時與乙二醇二甲醚和二氧戊環(huán)組成惰性醚基電解液來代替碳酸鹽類電解液[29]。在組裝好的鋰硫電池中，由于硫處于帶電狀態(tài)，因此對于鋰硫電池的測試要按照先放電再充電的步驟開始進行。如圖1-3(a)所示，在放電過程中金屬鋰在負極被氧化，產生鋰離子和電子。鋰離子通過電解液從電池內部向正極移動，而電子通過外部電路向正極移動，從而產生電流[30,31]。通過與正極上的鋰離子和電子反應，硫發(fā)生還原反應生成了硫化鋰Li2S[32]。充電則是一個反向放電的過程，在這個過程中，外部電源使得電子通過外部電路從正極移動到負極，而鋰離子則通過電解液擴散回到負極，如圖1-3(b)所示。在放電過程中所發(fā)生的化學反應方程式如式(1-1)、(1-2)和(1-3)所示[30,33,34]：(a)(b)(c)圖1-3(a)鋰硫電池放電原理圖；(b)鋰硫電池充電原理圖；(c)鋰硫電池充放電曲線在進行放電時，S8環(huán)打開被還原成高階多硫化鋰Li2Sx(6＜x≤8)；下一步驟中，
【參考文獻】：
期刊論文
[1]源自于生物質的納米多孔炭在鋰硫電池中的應用(英文)[J]. Sumair Imtiaz,張建,Zahid Ali Zafar,季勝楠,黃太仲,James A.Anderson,張昭良,黃云輝. Science China Materials. 2016(05)
[2]活性炭電極電容法脫鹽性能的研究[J]. 程杰,張文峰,方敏,孫世強,曹高萍,楊裕生,謝自立. 精細化工. 2008(06)
本文編號：3583406
【文章來源】：電子科技大學四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數】：85 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
鋰硫電池與傳統(tǒng)鋰離子電池能量密度之比
第一章緒論3極和電池結構，并了解到了鋰硫電池的反應機理以及循環(huán)壽命差的原因。程杰等人在2007年通過合成高比表面積和大孔體積的介孔碳材料作為碳基體進行載硫，其孔道結構極大地緩解了充放電循環(huán)過程中形成的中間產物多硫化鋰的溶解，同時大孔體積減輕了循環(huán)過程中引起的體積膨脹，這為鋰硫電池正極材料的研究提出了新方向[26]。Nazar等人在2009年成功合成了介孔碳(CMK-3)材料，將其與硫復合作為鋰硫電池正極材料。在一定程度上解決了硫與最終放電產物Li2S2和Li2S導電性差的問題，同時有效地抑制了穿梭效應的形成[27]，這為鋰硫電池正極材料的發(fā)展做出了巨大貢獻。2010年Mikhaylik總結了鋰硫電池技術的現狀，將其與美國AdvancedBatteryConsortium(USABC)制定的鋰硫電池規(guī)格相比，其滿足了質量能量密度、質量功率密度和低溫性能的要求；然而體積能量密度、倍率性能和充電時間難以達到預期目標，同時循環(huán)壽命和高溫性能遠遠低于最低要求，這些不足限制了鋰硫電池技術的廣泛應用[28]。自那時起，鋰硫電池成為了能源領域內科研人員和企業(yè)家的重點關注對象，研發(fā)一種充電時間短、循環(huán)壽命長、能量密度高的鋰硫電池已經迫不及待了。圖1-2近十年來鋰硫電池的Paper出版數量(2020年5月12日檢索于WebofScience)1.2.3鋰硫電池基本結構及工作原理鋰硫電池一般是由鋰金屬負極、硫復合正極、電解液和隔離電極的隔膜所組成[7]。硫元素作為鋰硫電池中的活性材料，以多種同素異形體的形式存在，其中以S8的結構最為穩(wěn)定。因此，我們通常使用粘結劑將S8與導電碳材料混合制成碳硫
電子科技大學碩士學位論文4復合正極，但傳統(tǒng)鋰離子電池所使用的碳酸鹽類電解液并不適用于鋰硫電池，因為在這類電解液中多硫化物的化學性質不穩(wěn)定，所以現在大多采用雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰為電解質導電劑，同時與乙二醇二甲醚和二氧戊環(huán)組成惰性醚基電解液來代替碳酸鹽類電解液[29]。在組裝好的鋰硫電池中，由于硫處于帶電狀態(tài)，因此對于鋰硫電池的測試要按照先放電再充電的步驟開始進行。如圖1-3(a)所示，在放電過程中金屬鋰在負極被氧化，產生鋰離子和電子。鋰離子通過電解液從電池內部向正極移動，而電子通過外部電路向正極移動，從而產生電流[30,31]。通過與正極上的鋰離子和電子反應，硫發(fā)生還原反應生成了硫化鋰Li2S[32]。充電則是一個反向放電的過程，在這個過程中，外部電源使得電子通過外部電路從正極移動到負極，而鋰離子則通過電解液擴散回到負極，如圖1-3(b)所示。在放電過程中所發(fā)生的化學反應方程式如式(1-1)、(1-2)和(1-3)所示[30,33,34]：(a)(b)(c)圖1-3(a)鋰硫電池放電原理圖；(b)鋰硫電池充電原理圖；(c)鋰硫電池充放電曲線在進行放電時，S8環(huán)打開被還原成高階多硫化鋰Li2Sx(6＜x≤8)；下一步驟中，
【參考文獻】：
期刊論文
[1]源自于生物質的納米多孔炭在鋰硫電池中的應用(英文)[J]. Sumair Imtiaz,張建,Zahid Ali Zafar,季勝楠,黃太仲,James A.Anderson,張昭良,黃云輝. Science China Materials. 2016(05)
[2]活性炭電極電容法脫鹽性能的研究[J]. 程杰,張文峰,方敏,孫世強,曹高萍,楊裕生,謝自立. 精細化工. 2008(06)
本文編號：3583406
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