【摘要】：鋰硫電池具有較高的理論比容量和能量密度,而且環(huán)境友好、硫資源豐富,但是鋰硫電池仍然面臨著硫的利用率低、循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能較差等問題。因此本論文制備了幾種碳載硫材料,碳材料的包覆提高了復(fù)合材料的電子電導(dǎo)率;制備了二氧化鈦/石墨烯共包覆硫的核殼材料,核殼結(jié)構(gòu)提高了材料對(duì)抗體積膨脹效應(yīng)的能力;制備了摻雜和造孔改性的石墨烯氣凝膠載硫材料,摻雜金屬元素提高了材料限制多硫化物穿梭效應(yīng)的能力;最后研究了一種自支撐的鋰硫電池正極材料。本論文研究了碳納米管、乙炔黑、碳化聚苯胺、活性炭等碳載硫材料,碳納米管作為一維的碳結(jié)構(gòu)材料,具有良好的載硫性能和導(dǎo)電性,CNTS材料在0.1 C下首次放電容量為870.1 mAh/g,100次循環(huán)過后放電容量為409.2 mAh/g;活性炭的三維結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,孔隙較大,載硫性能良好,ACS材料在0.1 C下首次放電容量為900.5 mAh/g,100次循環(huán)過后放電容量為248.8 mAh/g。接下來研究了一種自支撐的石墨烯基載硫薄膜材料,自支撐薄膜材料具有良好的機(jī)械性能,研究表明強(qiáng)酸和強(qiáng)堿的還原環(huán)境都不利于石墨烯包覆硫,CNT的摻雜可以明顯增加石墨烯基材料的多孔性,采用過氧化氫造孔氧化石墨,材料擁有良好的離子通道,其中摻雜CNT的造孔石墨烯自支撐載硫薄膜在純水中還原的電化學(xué)性能最佳,材料在0.1 C下首次放電容量621 mAh/g,100次循環(huán)后放電容量381 mAh/g。本論文研究了二氧化鈦/石墨烯雙層共包覆硫的核殼結(jié)構(gòu)正極材料。研究表明,當(dāng)硫與二氧化鈦質(zhì)量比為8:2時(shí),合成的TiO2@S材料電化學(xué)性能最好,TiO2@S材料在0.1 C下首次放電容量為900.5 mAh/g,經(jīng)過100次循環(huán)過后放電容量為248.8 mAh/g;當(dāng)硫S與二氧化鈦TiO2、石墨烯rGO質(zhì)量比為8:2:1時(shí),合成的rGO@TiO2@S材料電化學(xué)性能最好,材料在0.1 C下首次放電容量為969.1 mAh/g,經(jīng)過100次循環(huán)過后,材料的放電容量為558.6 mAh/g,這是因?yàn)槎趸伒陌苍鰪?qiáng)了材料對(duì)抗體積膨脹的能力,同時(shí)限制了多硫化物的穿梭效應(yīng),石墨烯的再包覆增加了材料的導(dǎo)電性,也限制了多硫化物的穿梭效應(yīng),石墨烯和二氧化鈦雙層包覆的協(xié)同作用,使得材料的電化學(xué)性能得到明顯提升。本論文研究了石墨烯氣凝膠包覆硫及其摻雜、造孔等改性材料,主要研究了在水熱過程中摻雜CNT、PVP和金屬元素后的材料性能,及其造孔石墨烯氣凝膠包覆硫材料的性能。研究表明CNT的摻雜增加了材料的多孔性,PVP的摻雜對(duì)于電極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定有促進(jìn)作用,采用過氧化氫造孔石墨烯片后,材料擁有更良好的離子通道,其中摻雜CNT的造孔石墨烯氣凝膠載硫材料在0.1 C下首次放電容量為898.3 mAh/g,100次循環(huán)后放電容量為490.3 mAh/g;摻雜Ni、Co、Fe金屬元素后,金屬元素通過與多硫化物的化學(xué)吸附作用,能夠限制多硫化物的穿梭效應(yīng),提高了材料的電化學(xué)性能,其中摻雜鐵元素材料的石墨烯氣凝膠包覆硫材料在0.1C下首次放電容量為1160.5 mAh/g,100次循環(huán)后放電容量為394.8 mAh/g。
【圖文】：

圖 1-1 LiCoO2電池和鋰硫電池理論比能量對(duì)比圖(a)；LiMO2電池和鋰硫電池理論比容量比圖(b)[2]鋰硫電池的化學(xué)體系是一種能夠解決電池許多性能問題的方案，，鋰硫 Li-S 池被認(rèn)為是下一代高比能量的儲(chǔ)能系統(tǒng)之一。硫單質(zhì)的理論比容量為 1672 mAh（每個(gè)硫原子可以得到兩個(gè)電子，基于硫單質(zhì)的計(jì)算）[3]，以鋰硫電池的平均工電壓 2.15 V(對(duì)于 Li+/Li 電極計(jì)算)，金屬鋰片負(fù)極的理論質(zhì)量比容量為 3862 mAh（由一個(gè)鋰原子得失一個(gè)電子計(jì)算），因此計(jì)算鋰硫電池的能量密度為 2600 Wh/表 1-1 是三元材料電池和鋰硫電池電化學(xué)性能的對(duì)比，由表可知，鋰硫電池是一比傳統(tǒng)的鋰離子電池要高一個(gè)數(shù)量級(jí)的電池[3]。除了顯著的高能量密度之外，最鋰硫電池研究證明，鋰硫電池可以設(shè)計(jì)為，在正極使用多硫化物電解液的半流模式電池，這是一種沒有隔膜的半液態(tài)電池設(shè)計(jì)，這樣的鋰硫電池適用于規(guī)模大的應(yīng)用，或者間歇性的可再生能源存儲(chǔ)，例如風(fēng)能、太陽能、地?zé)岷退Πl(fā)等。表 1-1 三元材料電池和鋰硫電池性能對(duì)比圖[3]電池 平均放電理論比容量實(shí)際比容全電池能量實(shí)際全電池能量

失去兩個(gè)電子，因?yàn)槭嵌娮踊瘜W(xué)反應(yīng)，而且鋰和硫的重量較輕，所以 Li-S 電池具有很高的理論比能量為 2680 Wh/kg，是目前普通鋰離子電池的五倍[5-8]。如圖 1-2展示了鋰硫電池典型的充放電曲線(a)；和在典型的放電曲線下，硫的溶解放電曲線(b)。S8(s) S8(l) (1-1)S8(l) +2e- S82-(1-2)32S82-+e- 2S62- (1-3)S62-+e- 32S42- (1-4)12S42-+e- S22- (1-5)12S22-+e- S2- (1-6)S22-+2Li+ Li2S2↓ (1-7)S2-+4Li+ 2Li2S↓ (1-8)
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O613.71;TM912


本文編號(hào)：2557218