鋰硫電池因其超的理論能量密度(2600Wh kg^-1),被公認(rèn)為是一種極具發(fā)展前景的二次儲(chǔ)能電池。但鋰硫電池固有的導(dǎo)電性差、穿梭效應(yīng)、體積效應(yīng)、電解液/硫比以及較低載硫量等問(wèn)制約了鋰硫電池的實(shí)際應(yīng)用。本文針對(duì)鋰硫電池固有問(wèn),將石墨烯應(yīng)用于鋰硫電池隔膜涂層、復(fù)合材料硫載體,并同時(shí)探究二者在鋰硫電池中的協(xié)同作用等三個(gè)方面開(kāi)展實(shí)研究,提升鋰硫電池電化學(xué)性能。（1）以純硫單質(zhì)作為正極主體材料,引入石墨烯空心球隔膜涂層。石墨烯空心球涂層隔膜對(duì)多硫化物具有明顯的吸附作用與阻擋作用,能夠有效的將多硫化物固定在正極一側(cè),防止其穿梭至負(fù)極與金屬鋰發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生穿梭效應(yīng)。采用石墨烯空心球涂層隔膜的鋰硫電池0.2C循環(huán)200次后的放電容量為829.6 Ah g^-1,容量保持率為70.76%。穿梭效應(yīng)的緩解可以提升鋰硫電池的庫(kù)倫效率以及循環(huán)穩(wěn)定性,從而提升鋰硫電池電化學(xué)性能。（2）以多功能石墨烯/SO₂復(fù)合材料空心球作為硫載體。復(fù)合材料硫載體的空心球結(jié)構(gòu)能夠緩沖鋰硫電池正極活性物質(zhì)的體積變化,緩解體積效應(yīng);空心球的中空結(jié)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)載硫量提供了空間... 

【文章來(lái)源】：西南科技大學(xué)四川省

【文章頁(yè)數(shù)】：59 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

(a)世界和中國(guó)化石能源估剩余可用時(shí)間；(b)常見(jiàn)儲(chǔ)能電池的能量密度對(duì)比

1緒論31.2.2鋰硫電池的工作原理鋰硫電池是利用單質(zhì)硫與金屬鋰反應(yīng)最終生成Li2S進(jìn)行放電，在充電過(guò)程中Li2S最終生成硫單質(zhì)的復(fù)雜反應(yīng)過(guò)程[32-33]。鋰硫電池充放電原理示意圖如圖1-3所示：圖1-3鋰硫電池充放電原理示意圖Fig.1-3SchematicdiagramofcharginganddischargingprincipleofLi-Sbattery.圖1-4為典型鋰硫電池充放電過(guò)程曲線圖。鋰硫電池放電反應(yīng)是由單質(zhì)硫被還原最終生成Li2S的過(guò)程，放電反應(yīng)的總方程式如式1-1所示。S8+16Li++16e-8Li2S（式1-1）鋰硫電池的放電是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，目前普遍將鋰硫電池的放電過(guò)程分為以下四個(gè)階段。階段一：?jiǎn)钨|(zhì)硫(-S8)被還原成Li2S8，此過(guò)程是由固相到液相轉(zhuǎn)變的過(guò)程。俆先，-S8的環(huán)狀結(jié)構(gòu)由于鋰離子的插入而斷裂開(kāi)來(lái)形成長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)的Li2S8，-S8被還原生成液相的Li2S8。此階段的反應(yīng)方程式如式1-2所示。S8+2Li++2e-Li2S8（式1-2）階段二：Li2S8繼續(xù)與Li+反應(yīng)會(huì)被還原成液相的長(zhǎng)鏈多硫化物L(fēng)i2S(47)，此階段為液相到液相的反應(yīng)。此過(guò)程中，Li2S8先被還原成Li2S6，然后Li2S6繼續(xù)被還原成Li2S4，此過(guò)程的綜合反應(yīng)方程式如式1-3所示。該過(guò)程中的兩步綜合反應(yīng)的平均電壓約為2.3V，對(duì)應(yīng)著鋰硫電池放電曲線中在2.3V左右的第一個(gè)平臺(tái)，此階段的理論比容量為418Ahg-1。由于中間相多硫化物極易溶于鋰硫電池采用的醚基電解液中，所以會(huì)導(dǎo)致中間相多硫化物在電場(chǎng)和濃度梯度的作用下穿過(guò)隔膜到達(dá)負(fù)極一側(cè)與金屬鋰發(fā)生反應(yīng)，造成可逆活性物質(zhì)減少，從而導(dǎo)致低循環(huán)壽命和低庫(kù)倫效率，其中，鏈更長(zhǎng)的儈階多硫化物L(fēng)i2S6相較于Li2S4更易溶于電解液。Li2S8+2Li++2e-2Li2S4（式1-3）階段三：Li2S4進(jìn)一步被還原生成固態(tài)的Li2S2和少部分Li2S，此階段為液相?

胤諾縝?咧?.1V左右的長(zhǎng)平臺(tái)，此階段的理論比容量約為1254Ahg-1。Li2S4+2Li++2e-2Li2S2（式1-4）階段四：Li2S2和Li2S固相到固相的轉(zhuǎn)變，由Li2S2徹底轉(zhuǎn)變?yōu)榉烹娮罱K產(chǎn)物L(fēng)i2S后放電反應(yīng)結(jié)束。此過(guò)程對(duì)應(yīng)的反應(yīng)方程式如式1-5所示。Li2S2+2Li++2e-2Li2S（式1-5）鋰硫電池的充電反應(yīng)相較于放電反應(yīng)沒(méi)有那么復(fù)雜，主要分為兩個(gè)階段。階段一：由固相Li2S和Li2S2氧化成液相多硫化物L(fēng)i2S(38)，此階段為固相到液相的轉(zhuǎn)變過(guò)程。階段二：液相多硫化物L(fēng)i2S(38)被氧化成固相的-S8，充電反應(yīng)結(jié)束。圖1-4典型鋰硫電池充放電過(guò)程曲線圖Fig.1-4TypicalcharginganddischargingprocesscurvesofLi-Sbattery.1.2.3影響鋰硫電池性能的因素(1)穿梭效應(yīng)由鋰硫電池的充放電曲線可以看到鋰硫電池在放電過(guò)程中存在兩個(gè)平臺(tái)。其中，在2.3V左右的放電平臺(tái)對(duì)應(yīng)的是Li2S8向液相的長(zhǎng)鏈多硫化物L(fēng)i2S(47)轉(zhuǎn)變的液相平臺(tái)。此過(guò)程中，液相多硫化物極易溶于電解液中，溶解在電解液中的多硫化物聚集在正極一側(cè)，在電場(chǎng)和濃度梯度的作用下，多硫化物會(huì)穿過(guò)隔膜擴(kuò)散到負(fù)極一側(cè)。擴(kuò)散到負(fù)極的多硫化物與金屬鋰直接發(fā)生反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致儈階的多硫化物自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗A多硫化物，導(dǎo)致嚴(yán)重的自放電現(xiàn)象，最終部分多硫化物會(huì)形成導(dǎo)電性差的Li2S2和Li2S鈍化層附著在金屬鋰表面，導(dǎo)致負(fù)極導(dǎo)電性能變差；同時(shí)，鈍化層的形成會(huì)造成部分正極活性物質(zhì)的損失以及金屬鋰表面的腐蝕，進(jìn)而導(dǎo)致鋰硫電池庫(kù)倫效率差、循環(huán)性能差以及產(chǎn)生影響安全性的鋰枝晶等問(wèn)[34-36]。(2)體積效應(yīng)鋰硫電池正極活性物質(zhì)S8(2.36gc-3)以及放電最終產(chǎn)物L(fēng)i2S(1.66gc-3)之間約有80%的體積變化[37-39]。在經(jīng)過(guò)多次的充放電循環(huán)后，反復(fù)的收縮與膨脹易導(dǎo)致正極材料與集流體間

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]石墨烯基自支撐夾層材料在鋰硫電池中的研究進(jìn)展[J]. 魏慧潔,柳勇,王飛,翟小亮,任鳳章.  化學(xué)工業(yè)與工程. 2020(01)
[2]鋰硫電池三維石墨烯/硫復(fù)合正極材料的制備及其性能[J]. 許曉娟.  石化技術(shù). 2019(12)
[3]鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)專(zhuān)利技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì)[J]. 陳錦攀,趙鴻,鐘國(guó)彬,胡巧明,鄧雯,徐立新,賴(lài)俊科,李超凡,陳曉川.  儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù). 2019(03)
[4]碳材料在電化學(xué)儲(chǔ)能中的應(yīng)用[J]. 梁驥,聞雷,成會(huì)明,李峰.  電化學(xué). 2015(06)
[5]國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J]. 劉卓然,陳健,林凱,趙英杰,許海平.  電力建設(shè). 2015(07)
[6]鋰硫電池電解質(zhì)研究進(jìn)展[J]. 金朝慶,謝凱,洪曉斌.  化學(xué)學(xué)報(bào). 2014(01)
[7]當(dāng)前能源形勢(shì)及解決能源問(wèn)題的對(duì)策[J]. 張芳.  科技傳播. 2013(03)
[8]儲(chǔ)能技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀及展望[J]. 張華民,周漢濤,趙平,衣寶廉.  能源工程. 2005(03)
[9]世界能源危機(jī)與我國(guó)的能源安全[J]. 周凌云.  中國(guó)能源. 2001(01)



本文編號(hào)：3320088