發(fā)布時(shí)間：2020-08-25 22:04

【摘要】：鋰碲電池是一種以碲為正極,金屬鋰作負(fù)極的新型電池體系。由于正極材料碲具有超高的電子導(dǎo)電率和較高的體積比容量,鋰碲電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域頗具發(fā)展前景。然而,由于碲在充放電過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的體積膨脹,并且中間產(chǎn)物多碲化鋰會(huì)溶解于醚類(lèi)電解液中,進(jìn)而導(dǎo)致鋰碲電池存在庫(kù)倫效率不高、容量衰減明顯等問(wèn)題,因此,探究并開(kāi)發(fā)具有較高比表面積、豐富的孔結(jié)構(gòu)的多孔碳骨架并將其作為碲的載體,以制備循環(huán)穩(wěn)定性良好的碲基正極材料,成為鋰碲電池的研究重點(diǎn)。本論文主要對(duì)設(shè)計(jì)和制備具有較高電化學(xué)性能的碲基正極材料進(jìn)行探索和研究。分別采用金屬有機(jī)框架、生物質(zhì)材料和大分子有機(jī)物三種碳源,通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),采取適宜的合成方法,制備出具有不同孔隙結(jié)構(gòu)的三種多孔碳骨架并作為碲的載體,探究了三種多孔碳/碲復(fù)合正極材料的儲(chǔ)鋰性能。具體研究工作如下:1.采用溶劑熱方法合成金屬有機(jī)框架CNT@Ni_2O(BDC)_2(CNT=碳納米管,BDC=對(duì)苯二甲酸)并將其作為前驅(qū)體,通過(guò)高溫裂解碳化,洗滌除去金屬顆粒得到具有多通道的類(lèi)血管-細(xì)胞組織的碳納米管/空心碳球載體(CNT@HCC),通過(guò)高溫熔融-擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)CNT@HCC載體與碲單質(zhì)的復(fù)合,得到碳納米管/空心碳球/碲(CNT@HCC/Te)復(fù)合正極材料,不僅實(shí)現(xiàn)了較高的活性物質(zhì)負(fù)載量,而且在500次的充放電循環(huán)測(cè)試之后仍能保持約240 mAh g~(-1)的質(zhì)量比容量。通過(guò)各項(xiàng)物理化學(xué)表征和電化學(xué)測(cè)試說(shuō)明,類(lèi)血管-細(xì)胞組織的碳納米管/空心碳球合理的多通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)鋰碲電池的性能具有重要影響。2.選取蓮蓬殼作為生物質(zhì)碳源,通過(guò)水熱法除去蓮蓬殼中的雜質(zhì)元素,再高溫碳化得到原始碳材料,進(jìn)一步用KOH蝕刻活化得到豐富的微孔-介孔結(jié)構(gòu),合成具有肋骨狀形貌的多孔碳框架(RHPC),其比表面積高達(dá)1660 m~2 g~(-1)。進(jìn)一步熔融浸漬封裝碲,最終得到的肋骨狀多孔碳/碲(RHPC/Te)復(fù)合材料作鋰碲電池正極,在鋰碲電池性能測(cè)試中展現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性,在2C的電流密度下經(jīng)過(guò)3600次恒流充放電循環(huán)之后還能保持288 mAh g~(-1)的質(zhì)量比容量。研究證明,肋骨狀多孔碳/碲復(fù)合材料豐富的微孔-介孔結(jié)構(gòu)有效緩解了充放電過(guò)程中的體積膨脹,同時(shí)有效地抑制了活性物質(zhì)的流失和結(jié)構(gòu)的破壞,從而促進(jìn)電池性能的提升。3.利用大分子有機(jī)物殼聚糖、醋酸鋅和二氧化硅納米球進(jìn)行凝膠化反應(yīng),采用冷凍干燥使凝膠脫水,進(jìn)一步在氬氣環(huán)境下高溫煅燒,再將雜質(zhì)徹底洗滌,得到兼具大孔-介孔-微孔的氮摻雜多層級(jí)孔隙碳泡沫(NHPCS),其豐富的多層級(jí)孔隙不僅為碲提供了足夠的容納空間,保證了較高的活性物質(zhì)負(fù)載量,而且其大孔還能有效緩解體積膨脹,微孔有效吸附多碲化物,確保了充放電循環(huán)測(cè)試中的穩(wěn)定性。另外,一定量的氮原子摻雜進(jìn)一步提升了材料的導(dǎo)電性和電化學(xué)性能。氮摻雜多層級(jí)孔隙碳泡沫/碲(NHPCS/Te)作鋰碲電池正極材料取得了優(yōu)異的倍率性能,在承受10C的超高電流密度之下還能放出195 mAh g~(-1)的比容量。綜上所述,我們通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),采用三種不同的原料分別構(gòu)筑了三種形貌獨(dú)特且孔結(jié)構(gòu)豐富的多孔碳材料,分別作為活性物質(zhì)碲的載體,解決了碲在充放電過(guò)程中體積膨脹、中間產(chǎn)物溶解的問(wèn)題,提高了電池的性能,為新型鋰碲電池的研究提供了新思路。
【學(xué)位授予單位】：西南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TQ127.11;TM912
【圖文】：

圖 1.1 鋰硫電池結(jié)構(gòu)示意圖[24]。池的研究進(jìn)展，法國(guó)巴黎電子技術(shù)公司的 Herbert 與 Ulam 在一篇專(zhuān)利念，鋰硫電池的發(fā)展可追溯至此[29]。，Argonne 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的 Birk 和 Steunenberg 開(kāi)發(fā)了一種溫鋰硫電池[30]。采用鋰作負(fù)極，硫或硫化物作正極，電解液，組裝成鋰硫電池。研究中還提到硫在被還原的過(guò)間產(chǎn)物。然而，這種電池的實(shí)用性面臨著很多挑戰(zhàn)。9 年，以色列特拉維夫大學(xué)的 Peled 研究團(tuán)隊(duì)研究了室溫下中的電化學(xué)表現(xiàn)，研究發(fā)現(xiàn)富有二氧戊環(huán)的電解液導(dǎo)電性液的導(dǎo)電性高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，且鋰硫電池采用前者作電解項(xiàng)研究為與溶劑相關(guān)的氧化還原反應(yīng)機(jī)理提供了新的見(jiàn)解電解質(zhì)成分的研究奠定了基礎(chǔ)[31]。

圖 1.1 鋰硫電池結(jié)構(gòu)示意圖[24]。硫電池的研究進(jìn)展2 年，法國(guó)巴黎電子技術(shù)公司的 Herbert 與 Ulam 在一篇專(zhuān)利中概念，鋰硫電池的發(fā)展可追溯至此[29]。7 年，Argonne 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的 Birk 和 Steunenberg 開(kāi)發(fā)了一種工高溫鋰硫電池[30]。采用鋰作負(fù)極，硫或硫化物作正極，熔l 作電解液，組裝成鋰硫電池。研究中還提到硫在被還原的過(guò)程中間產(chǎn)物。然而，這種電池的實(shí)用性面臨著很多挑戰(zhàn)。1989 年，以色列特拉維夫大學(xué)的 Peled 研究團(tuán)隊(duì)研究了室溫下硫液中的電化學(xué)表現(xiàn)，研究發(fā)現(xiàn)富有二氧戊環(huán)的電解液導(dǎo)電性要電解液的導(dǎo)電性高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，且鋰硫電池采用前者作電解液這項(xiàng)研究為與溶劑相關(guān)的氧化還原反應(yīng)機(jī)理提供了新的見(jiàn)解，的電解質(zhì)成分的研究奠定了基礎(chǔ)[31]。

內(nèi)實(shí)現(xiàn)新的突破[36-38]。的電化學(xué)原理離子電池“搖椅式”嵌鋰-脫鋰機(jī)制，Li-S 電池的反還原反應(yīng)[39]。如圖 1.3 所示，在放電過(guò)程中，鋰離子到正極，與 S8發(fā)生反應(yīng)，先生成中間產(chǎn)物多硫化鋰反應(yīng)過(guò)程如下：[40]S8+ 2 Li++ 2 e-→ Li2S83 Li2S8+ 2 Li++ 2 e-→ 4 Li2S62 Li2S6+ 2 Li++ 2 e-→ 3 Li2S4S4進(jìn)一步被還原，發(fā)生如下反應(yīng)：Li2S4+ 2 Li++ 2 e-→ 2 Li2S2Li2S2+ 2 Li++ 2 e-→ 2 Li2S正好相反，電池正極的硫化鋰先被氧化成多硫化鋰解質(zhì)溶液回到負(fù)極。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 刁巖;謝凱;洪曉斌;熊仕昭;;Li-S電池硫正極性能衰減機(jī)理分析及研究現(xiàn)狀概述[J];化學(xué)學(xué)報(bào);2013年04期

本文編號(hào)：2804261