新型三维氮掺杂碳骨架用于锂硫电池设计

摘要

锂硫电池因具有较高的放电比容量(1675 mAh g-1)和能量密度(2600 Wh kg-1)等优点备受研究人员关注。加之活性物质硫含量丰富，对环境友好等优势，锂硫电池很有潜力发展成为下一代储能电池体系。然而，锂硫电池存在几个明显的不利因素：第一是活性物质硫和其放电产物硫化锂的绝缘性质，这将造成活性物质低的利用率。第二是可溶性的多硫化锂造成的穿梭效应，这将造成电池低的库伦效率。第三是阴极在充放电过程中发生较大的体积变化，这可能导致阴极结构破坏。还有就是阴极集流体铝箔的使用，增加了阴极的整体质量，降低了电池的能量密度，也成为阻碍锂硫电池商业化发展的问题之一。现在研究较多的为锂硫电池的正极材料，其中卓有成效的方法就是活性硫与碳材料的复合。本文针对锂硫电池存在的主要问题，选取一种合适的碳材料与硫进行有效复合，尝试解决锂硫电池中的部分问题。
　　首先我们选用一种新型的三维柔性碳材料代替了铝箔直接与活性物质硫复合，制作锂硫电池阴极。这种具有柔性的多孔碳硫阴极，具有能够降低整个阴极的质量，缓冲阴极的体积膨胀的作用。我们对其结构及电化学性能进行了详细的表征，结果表明我们选用的新型三维碳材料应用于锂硫电池取得不错的结果。这也为锂硫电池的发展提供了一个很好的参考。
　　其次，碳材料的氮掺杂。研究表明，部分氮掺杂的碳材料有利于锂硫电池电化学性能的提升。基于这个观点，我们对选取的多孔三维碳材料进行改性，探究其中的氮和碳含量对锂硫电池性能的影响。通过调控煅烧温度，我们得到不同氮含量的碳材料。将这些碳材料与硫复合，组装成锂硫电池。测试其电化学性能，分析氮含量对电池性能的影响。
　　最后，合成分等级三维多孔碳。我们通过高温煅烧和水热法结合的策略尝试合成分等级微孔碳，应用于锂硫电池。首先利用高温处理高分子泡沫，我们得到不同碳化程度的碳材料。其次在水热条件下，利用水溶解未被碳化的高分子，便得到具有分等级结构的碳材料。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 锂硫电池的工作原理

1.3 锂硫电池的问题及解决策略

1.4 锂硫电池正极材料的研究进展

1.5 本课题的研究意义及内容

第二章 实验试剂、仪器和测试表征方法简介

2.1 主要的实验试剂和仪器

2.2 物理表征

2.3 电化学性能测试

第三章 三维柔性碳用于锂硫电池设计

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果和讨论

3.4 本章小结

第四章 氮掺杂三维柔性碳-硫阴极的合成及性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 介孔碳骨架的合成设计探究

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

第六章 全文总结

参考文献

在学期间发表的学术论文与研究成果

致谢