高比能量锂/硫原电池的研制

摘要

锂/硫电池因其高比容量而受到广泛关注，在现有锂电池中，锂/硫电池的比容量最高。然而，单质硫导电性差，硫含量为100％的正极在室温下放电性能较差，导致单质硫利用率低。因此，对锂/硫电池正极材料进行改性研究至关重要。本论文主要针对正极进行改性研究，用不同方法制备碳硫复合物，制作具有不同厚度的正极，组装模拟电池，选择具有较好放电性能的材料和制作工艺，研制锂/硫原电池。并用x射线衍射、热重分析、SEM测试、TEM测试、孔径分析等测试方法分析复合材料的形貌结构，利用电化学测试系统，在不同温度下进行恒流放电测试，探究放电性能。
　　 利用球磨法制备单质硫一活性炭复合材料，分别以单质硫和单质硫-活性炭复合材料为正极活性物，制作厚层正极，组装模拟电池。实验结果表明，单质硫已嵌入活性炭的多孔结构中。在相同放电条件下，碳硫复合物具有较好的放电性能，改性后电池放电比能量提高26.4％。当温度为60℃时，碳硫复合物放电比容量为460 mAh·g-1，比能量为1076 Wh·kg-1。
　　 利用热处理法制各单质硫.活性炭复合材料，使单质硫以液态和气态形式进入活性炭孔隙中。以该复合材料为正极材料，制作薄层正极，组装模拟电池。实验结果表明，热处理法制得的复合材料能使单质硫更好地进入活性炭的孔隙中，且放电比能量比球磨法制得的碳硫复合材料提高22.8％。同时，薄层正极具有更好的放电性能，当正极厚度由1.3mm减小到60 um时，放电比能量提高了15.3％。当温度为60℃时，放电比容量为641 mAh·g-1，比能量为1416 Wh·kg-1。
　　 热处理制得的碳硫复合物正极材料制作的薄层正极，具有最佳的放电性能。利用热处理法制备单质硫一碳纳米管复合材料，采用双层涂覆的方法制作薄层正极，组装锂/硫实体原电池。实验结果表明，约80％单质硫嵌入碳材料的孔隙中，常温下放电，放电比比容量为627 mAh·g-1，比能量为1439 Wh·kg-1。60℃恒流放电，放电比容量为730 mAh·g-1，比能量为1643 Wh·kg-1。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 锂/硫电池简介

1.1.1 锂/硫电池性能特点

1.1.2 锂/硫电池反应原理

1.2 锂/硫电池研究现状

1.2.1 锂/硫电池正极材料

1.2.2 锂/硫电池电解液

1.2.3 锂/硫电池负极材料

1.2.4 锂/硫电池研究现状及存在的问题

1.3 本课题的意义、研究内容及创新点

1.3.1 本课题的意义

1.3.2 研究内容及创新点

2 球磨法碳硫复合材料的制备及性能

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验试剂与仪器

2.2.2 正极材料制备

2.2.3 锂/硫2025扣式模拟电池制作

2.2.4 材料结构表征

2.2.5 放电性能测试

2.3 结果与讨论

2.3.1 球磨法碳硫复合材料的形貌与结构

2.3.2 锂/硫2025扣式模拟电池的放电性能

2.3.3 放电产物的形貌变化

2.4 本章小结

3 热处理法碳硫复合材料的制备及性能

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验试剂与仪器

3.2.2 正极材料制备

3.2.3 锂/硫软包装模拟电池制作

3.2.4 材料结构表征与电化学性能测试

3.3 结果与讨论

3.3.1 热处理法碳硫复合材料的形貌与结构

3.3.2 锂/硫软包装模拟电池的放电性能

3.3.3 放电产物的形貌与结构变化

3.4 本章小结

4 锂/硫原电池的研制

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 实验试剂与仪器

4.2.2 正极材料制备

4.2.3 锂/硫原电池制作

4.2.4 正极材料表征

4.2.5 放电性能测试

4.3 结果与讨论

4.3.1 正极材料的形貌与结构

4.3.2 锂/硫14335电池设计讨论

4.3.3 锂/硫14335原电池的放电性能

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文

致谢