【摘要】：室溫堿金屬-硫二次電池(包括鋰硫電池和鈉硫電池)是極具有競(jìng)爭(zhēng)力的下一代電池體系。其中,S正極材料的理論容量高達(dá)1672 mAh g~(-1),被認(rèn)為是一種理想的正極材料。Li、Na、K三種堿金屬的理論容量分別高達(dá)3861 mAh g~(-1)、1166 mAh g~(-1)和685 mAh g~(-1),被認(rèn)為是幾種最理想的負(fù)極材料。雖然堿金屬-硫二次電池具有上述性能優(yōu)勢(shì),但是目前其研究還面臨著一些挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)主要是來自于充放電過程中產(chǎn)生的多硫化物中間產(chǎn)物所引起的穿梭效應(yīng),以及負(fù)極堿金屬在循環(huán)過程中不均勻沉積導(dǎo)致的安全問題。因此,本論文通過設(shè)計(jì)硫正極和堿金屬負(fù)極,分別在單電極(正極或負(fù)極)的研究中取得了一定成果。然后將設(shè)計(jì)好的堿金屬負(fù)極與包括硫正極在內(nèi)的不同正極材料進(jìn)行配對(duì),進(jìn)一步證明了我們策略的可實(shí)用性。具體研究?jī)?nèi)容如下:在第一個(gè)工作中,我們發(fā)現(xiàn)金屬銅與硫之間具有極強(qiáng)的化學(xué)相互作用。將泡沫銅投入含有堿金屬多硫化物的水相或非水相溶液中,泡沫銅均會(huì)自發(fā)與多硫化物發(fā)生反應(yīng),并在泡沫銅表面生成形貌可控的硫化亞銅(Cu_2S)納米片,從而將硫固定在泡沫銅表面,從源頭上解決了穿梭效應(yīng)。我們將泡沫銅分別用作鋰硫電池和鈉硫電池正極的固硫載體,提出了化學(xué)鍵固硫的新概念。最終在鋰硫電池中獲得了可循環(huán)1000次以上,容量高達(dá)1200 mAh g~(-1)的等價(jià)硫正極材料;在鈉硫電池中獲得了可循環(huán)400次以上,容量高達(dá)400 mAh g~(-1)的等價(jià)硫正極材料。為硫正極固硫提供了一種普適的方法。在第二個(gè)工作中,我們?yōu)閴A金屬負(fù)極(Li、Na和K)的穩(wěn)定沉積循環(huán)提出了一種普適且直接的策略。通過在堿金屬負(fù)極表面覆蓋一層商業(yè)碳紙,堿金屬在碳酸酯類電解液和醚類電解液中的沉積/氧化過電勢(shì)和循環(huán)穩(wěn)定性就會(huì)得到顯著優(yōu)化。當(dāng)電流密度高達(dá)5 mA cm~(-2)時(shí),碳紙保護(hù)的金屬鋰負(fù)極可實(shí)現(xiàn)~4000圈的超長循環(huán),碳紙保護(hù)的金屬鈉可實(shí)現(xiàn)~1200圈的超長循環(huán),碳紙保護(hù)的金屬鉀可實(shí)現(xiàn)~3000圈的超長循環(huán)。除此之外,我們將碳紙保護(hù)的金屬鋰與鈦酸鋰(LTO)電極材料配對(duì),將碳紙保護(hù)的金屬鈉分別與磷酸釩鈉(NVP)正極材料和上文提到的等價(jià)硫正極配對(duì),均獲得了更優(yōu)異的全電池循環(huán)性能。
【學(xué)位授予單位】：蘇州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM912
【圖文】：

引言燃料─煤、石油和天然氣的使用極大促進(jìn)了工業(yè)化發(fā)展，便利。時(shí)至今日，全球的能源結(jié)構(gòu)仍然以化石能源為主。據(jù)統(tǒng)計(jì)，有能源使用量中占比超過百分之八十五。但化石能源是一種不，無法滿足人們?nèi)找媾蛎浀哪茉葱枨�。人們正在面臨著能源枯竭年的汽車需求為例（圖 1.1），從 2005 年到 2017 年 5 月，汽車勢(shì)，每年新增汽車數(shù)量高達(dá) 1000-2000 萬臺(tái)，以每輛車年行駛里算，每年新增燃油消耗將高達(dá) 40 億升�；茉吹氖褂盟鶐黹_始逐步顯現(xiàn)，其導(dǎo)致的氣候異常已經(jīng)開始影響人們的生活。高化石能源利用率的同時(shí)，尋找可替代的可再生清潔能源是人。

堿金屬-硫二次電池正負(fù)極材料的優(yōu)化探索 第三章 過渡金屬銅輔助的金屬-硫二次電池的研究橙色溶液中反應(yīng)，測(cè)試其與 Na2S4水溶液的反應(yīng)性。1 min 后取出，肉眼觀察金屬表面變化。圖 3.1 是上述過渡金屬與 Na2S4水溶液反應(yīng)后金屬表面變化的圖片。從圖 1 可以看出，銅箔與 Na2S4溶液直接接觸的部分迅速變黑，反應(yīng)速度很快。在相同條件下，沒有其他金屬可以與 Na2S4水溶液發(fā)生反應(yīng)。由此，我們用一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)證明了金屬銅和多硫化物之間強(qiáng)烈的化學(xué)相互作用，即金屬銅具有極強(qiáng)的固硫能力。

硫后的 Cu 2p 和 S 2p XPS 圖譜。接下來我們通過多種表征技術(shù)確定泡沫銅固硫后，表面生成的黑色物質(zhì)的組成和微觀結(jié)構(gòu)。如圖3.2c所示，其X射線衍射（XRD）圖譜與六方Cu2S（PDF＃89-2670）的圖譜完全一致。其中還可以觀察到來自金屬 Cu 底物的強(qiáng)衍射峰，說明泡沫銅與多硫化物反應(yīng)后只在表面生成了一層均勻的 Cu2S，內(nèi)部的泡沫銅骨架依舊保持完整。泡沫銅固硫后的 X 射線光電子能譜（XPS）顯示 Cu 2p 3/2 峰和 S 2p 3/2 峰分別位于 932.6 eV 和 162.0 eV（圖 3.2d,e），同樣與 Cu2S 的標(biāo)準(zhǔn) XPS 能譜高度一致。

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本文編號(hào)：2762323