聚吡咯/TiO2纳米管阵列复合材料的制备及其在锂硫电池中的应用

摘要

较高的理论比容量（1675 mAh/g）使得锂硫电池在未来能量转换和储存领域展现出了巨大的应用前景。然而其总体的循环稳定性较差，能量效率较低，阻碍了其在实际应用中的发展。本文中设计了一种 PPy/TiO2同轴异质结纳米管阵列结构作为正极材料基底，以期改善锂硫电池的电化学性能。在此阵列结构中，沉积了PPy的TiO2纳米管阵列为锂离子的扩散及其与硫反应提供了有序规整的导电骨架，同时对反应过程中生成的多硫化物有一定的吸附作用，减缓了电池容量的衰减。
　　本实验采用两步阳极氧化法在含氟盐的有机电解液中制备了高度有序的TiO2纳米管阵列。场发射扫描电镜（FE-SEM）和X射线衍射仪（XRD）表征结果显示，制备出的TiO2纳米管高度有序平行排列，管径约120 nm，管长约30μm，为锐钛矿晶型。
　　采用三电极体系，在含对甲苯磺酸钠（TsONa）的水系电解液中，在 TiO2纳米管阵列上电化学聚合沉积了PPy，并考察了沉积电流和聚合时间对PPy/TiO2 NTs复合材料形貌和电导的影响，结果显示，以恒电流1.0 mA/cm2进行电化学聚合15min，得到的PPy/TiO2纳米管阵列复合材料阵列结构微观形貌最为规整，PPy膜厚度适中，电导率性能优异，较适合作为正极材料基底去负载硫。
　　通过共热的方式将单质硫负载进入 PPy/TiO2纳米管基底阵列中制备 S/PPy/TiO2 NTs正极复合材料，并且考察了不同的负载方式和温度对单质硫负载量的影响。发现以含硫的甲苯溶液浸泡法制备得到的S/PPy/TiO2 NTs正极复合材料具有较高的硫负载量，且在高温处理过程中PPy与硫产生了化学键的作用。
　　最后将制备好的正极复合材料作为正极片进行了电池的安装及电化学测试，通过对比S/TiO2 NTs、S/PPy/TiO2 NTs-160和S/PPy/TiO2 NTs-300三种正极材料，证明了复合材料中PPy的存在能提升电池的电化学性能。在三个电池中，S/PPy/TiO2 NTs-160表现出最高的首次放电比容量1123.7 mAh/g，而S/PPy/TiO2 NTs-300表现出最为优异的循环稳定性能，其比容量在100次充放电循环后仍有1150 mAh/g左右，库伦效率保持96％左右，证明了负载硫过程中的热处理温度对电极材料的性能有较大的影响，推测原因为不同温度处理下单质硫的存在形式不同。硫在S/PPy/TiO2 NTs-160中的存在形式主要为 S8大分子以及其与聚吡咯形成的C-S8化学键合作用，而其在S/PPy/TiO2 NTs-300中的存在形式主要由少部分S8大分子和大部分S6或S2小分子组成，S2或S6小分子的反应活性很高，在高温下极易与聚吡咯相互作用形成C-S6或C-S2键，这些小分子和 C-S键的存在会缓解可溶性多硫化物的产生及其溶解，提高活性物质的利用率，保障电池的高容量。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1 聚吡咯和TiO2纳米管概述

1.2 锂硫电池概述

1.3 纳米管结构、聚合物和二氧化钛基材料在正极材料中的应用

1.4 本课题的意义、研究内容和创新点

2 TiO2/聚吡咯纳米阵列基底的制备及表征

2.1 实验试剂及仪器

2.2 TiO2纳米管阵列的制备

2.3 TiO2纳米管阵列的表征

2.4 PPy/TiO2纳米阵列结构的制备

2.5不同制备条件对PPy/TiO2纳米阵列结构的影响

2.6 PPy/TiO2纳米阵列复合材料的结构表征

2.7 本章小结

3 S/PPy/TiO2 NTs正极复合材料的制备及表征

3.1 实验试剂及仪器

3.2 S/PPy/TiO2 NTs正极复合材料的制备

3.3 S/PPy/TiO2 NTs正极复合材料的表征

3.4 本章小结

4 电池装配及电化学性能测试

4.1 实验试剂及仪器

4.2 电池的安装

4.3 电化学性能的测定

4.4 本章小结

5 全文总结及展望

5.1 全文总结

5.2 仍需完善的工作

致谢

参考文献

附录：硕士期间研究成果