本文關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)碳硫復(fù)合材料及其性能研究

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【摘要】：隨著電子產(chǎn)品和電動(dòng)工具的快速發(fā)展,下一代可再充放電電池需要擁有更高的容量和能量密度。鋰硫電池作為高能量密度儲(chǔ)源(2600 Wh·Kg-1)和持續(xù)的電動(dòng)汽車的用電設(shè)備,目前吸引了越來越多的關(guān)注。同時(shí)單質(zhì)硫還具有成本低、屬環(huán)境友好型材料、地球儲(chǔ)藏量高等優(yōu)良特性。但是,硫不同于常規(guī)的插層陰極材料,幾乎無導(dǎo)電性,在循環(huán)過程中硫經(jīng)歷一系列的組成和結(jié)構(gòu)的變化,包括可溶的多硫化物、不溶的硫化物以及體積膨脹。這些現(xiàn)象導(dǎo)致活性物質(zhì)損失,最終導(dǎo)致循環(huán)過程容量嚴(yán)重衰減。本論文綜述了鋰硫電池正極材料的特點(diǎn)及最新研究進(jìn)展,以改善硫正極材料的缺陷為目的,通過將硫與導(dǎo)電碳材料進(jìn)行復(fù)合,制備了一系列新型碳硫復(fù)合材料,并對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能做了一些研究,具體工作有以下幾個(gè)方面:(1)采用一步水熱法成功制備了三維多孔結(jié)構(gòu)的石墨烯氣凝膠負(fù)載納米硫復(fù)合材料,研究了水熱反應(yīng)條件對(duì)石墨烯/硫復(fù)合材料的電化學(xué)性能影響。采用XRD、SEM、TEM和XPS等測(cè)試手段對(duì)材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征,通過電池測(cè)試儀和電化學(xué)工作站等對(duì)正極材料進(jìn)行電化學(xué)性能分析,探討了石墨烯上的含氧官能與硫納米顆粒之間的作用以及復(fù)合材料的微觀形貌對(duì)電化學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明,水熱反應(yīng)溫度對(duì)硫顆粒尺寸、負(fù)載硫、石墨烯有序度及兩者之間的鍵合作用有重要影響。180℃水熱反應(yīng)樣品經(jīng)歷50次循環(huán)后仍有高達(dá)716.2m Ah·g-1的比容量,并在大電流密度下仍有較高的容量發(fā)揮。(2)通過原位聚合和靜電吸引的方法合成出一種具有雙殼型結(jié)構(gòu)的硫@聚苯胺@石墨烯復(fù)合材料。首先,我們通過原位聚合的方法在單質(zhì)硫顆粒的表面生長一層納米尺度的聚苯胺;再通過靜電吸引的方法在其表面包覆氧化石墨烯,得到具有雙殼結(jié)構(gòu)的碳硫復(fù)合材料。通過對(duì)復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)、硫的負(fù)載量及電化學(xué)性能的表征與分析,探討了雙殼結(jié)構(gòu)潛在的電化學(xué)性能優(yōu)勢(shì)。研究結(jié)果表明,硫@聚苯胺@石墨烯復(fù)合材料具有非常好的包覆效果,聚苯胺層能夠增加材料內(nèi)部的導(dǎo)電性,石墨烯層具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性。將其作為鋰硫電池正極材料,在100m A·g-1電流密度下經(jīng)過50次循環(huán)后仍有847.3 m Ah·g-1的比容量。且在0.5A·g-1和1 A·g-1電流密度下充放電,也有694.7 m Ah·g-1和380.4 m Ah·g-1的比容量。(3)以功能化碳纖維布為骨架,液相載硫得到碳纖維布/納米硫復(fù)合材料。通過對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行FTIR、SEM、XPS以及電化學(xué)性能分析,探討比較了改性前后正極材料的電化學(xué)性能。研究結(jié)果表明,化學(xué)改性后的碳纖維布表面含有大量含氧官能團(tuán),水熱反應(yīng)過程中與單質(zhì)硫形成了價(jià)鍵結(jié)合作用,可有效抑制多硫化物溶解于電解液造成活性物質(zhì)的損失,50次充放電循環(huán)后仍有968.1m Ah·g-1的放電比容量,顯示出良好的循環(huán)性能和潛在的應(yīng)用前景。
【關(guān)鍵詞】：鋰硫電池 碳硫復(fù)合材料 石墨烯 雙殼結(jié)構(gòu) 碳纖維布
【學(xué)位授予單位】：上海大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TB33;TM912
【目錄】：

• 摘要6-8
• Abstract8-12
• 第一章 緒論12-27
• 1.1 引言12-13
• 1.2 鋰硫電池體系概述13-17
• 1.2.1 鋰硫電池簡介13-14
• 1.2.2 鋰硫電池的工作原理14-16
• 1.2.3 鋰硫電池發(fā)展面臨的主要問題16-17
• 1.3 鋰硫電池發(fā)展現(xiàn)狀17-25
• 1.3.1 碳/硫復(fù)合材料17-20
• 1.3.2 聚合物/金屬氧化物包覆型復(fù)合材料20-23
• 1.3.3 石墨烯/硫復(fù)合材料23-25
• 1.4 本課題的研究內(nèi)容及意義25-27
• 第二章 實(shí)驗(yàn)材料與儀器27-33
• 2.1 材料的制備合成27-29
• 2.1.1 原料和試劑27-28
• 2.1.2 氧化石墨烯的制備28-29
• 2.2 材料表征方法與儀器29-31
• 2.2.1 X射線衍射分析儀（X-Ray Diffraction）29
• 2.2.2 掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope)29-30
• 2.2.3 透射電子顯微鏡(Transmission Eectron Microscope)30
• 2.2.4 熱重分析儀（Thermogravimetry）30
• 2.2.5 傅立葉變換紅外光譜儀(Fourier Transform Infrared)30
• 2.2.6 拉曼光譜儀 (Raman)30-31
• 2.2.7 X射線光電子能譜儀(XPS)31
• 2.3 電化學(xué)性能測(cè)試31-33
• 2.3.1 電極的制備31
• 2.3.2 電池的組裝31-32
• 2.3.3 電性能測(cè)試系統(tǒng)32-33
• 第三章 三維多孔石墨烯氣凝膠負(fù)載納米硫復(fù)合材料制備及電化學(xué)性能研究33-44
• 3.1 引言33-34
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分34
• 3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論34-43
• 3.3.1 XRD測(cè)試分析34-35
• 3.3.2 TGA測(cè)試數(shù)據(jù)35-36
• 3.3.3 Raman測(cè)試數(shù)據(jù)36-37
• 3.3.4 SEM測(cè)試數(shù)據(jù)37-38
• 3.3.5 TEM測(cè)試數(shù)據(jù)38-39
• 3.3.6 XPS測(cè)試數(shù)據(jù)39-40
• 3.3.7 電化學(xué)性能測(cè)試數(shù)據(jù)40-43
• 3.4 本章小結(jié)43-44
• 第四章 雙殼型硫/聚苯胺/石墨烯復(fù)合材料的制備及電化學(xué)性能研究44-55
• 4.1 引言44-45
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分45-46
• 4.2.1 復(fù)合材料的制備45
• 4.2.2 電極的制備45-46
• 4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論46-54
• 4.3.1 XRD測(cè)試數(shù)據(jù)47
• 4.3.2 TGA測(cè)試數(shù)據(jù)47-48
• 4.3.3 FTIR測(cè)試數(shù)據(jù)48-49
• 4.3.4 SEM&TEM測(cè)試數(shù)據(jù)49-50
• 4.3.5 XPS測(cè)試數(shù)據(jù)50
• 4.3.6 電化學(xué)性能測(cè)試數(shù)據(jù)50-53
• 4.3.7 S@PANI@GO復(fù)合材料不同含硫量的性能比較53-54
• 4.4 本章小結(jié)54-55
• 第五章 碳纖維布負(fù)載納米硫復(fù)合材料的制備及電化學(xué)性能研究55-65
• 5.1 引言55-56
• 5.2 實(shí)驗(yàn)部分56-57
• 5.2.1 復(fù)合材料的制備56
• 5.2.2 電極制備56-57
• 5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論57-64
• 5.3.1 FTIR測(cè)試數(shù)據(jù)57-58
• 5.3.2 XRD測(cè)試數(shù)據(jù)58
• 5.3.3 Raman測(cè)試數(shù)據(jù)58-59
• 5.3.4 TGA測(cè)試數(shù)據(jù)59-60
• 5.3.5 SEM測(cè)試數(shù)據(jù)60-61
• 5.3.6 XPS測(cè)試數(shù)據(jù)61-62
• 5.3.7 電化學(xué)性能測(cè)試數(shù)據(jù)62-64
• 5.4 本章小結(jié)64-65
• 第六章 結(jié)論與展望65-68
• 6.1 結(jié)論65-66
• 6.2 展望66-68
• 參考文獻(xiàn)68-77
• 作者攻讀碩士學(xué)位期間公開發(fā)表的論文、專利、科技成果77-78
• 致謝78

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 倪維斗,鄭洪_",李政,江寧;多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng):綜合解決我國能源領(lǐng)域五大問題的重要途徑[J];動(dòng)力工程;2003年02期

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本文編號(hào)：1074037