Ti4O7/S复合电极材料的制备及其电化学行为研究

摘要

伴随着物质文明的不断发展，人们对能量的需求量与日俱增。锂硫电池作为一种新型的能量储存系统，由于其高能量密度和低材料成本，适用于从固定电网存储到移动电动汽车的多种新兴应用之中，理论能量密度达到2600 Wh kg-1，受到研究者们的广泛关注。相比现有的锂离子电池，因为能量存储机制的本质不同，锂硫电池有很明显的优势，然而到目前为止，由于电池目前能实现的能量密度与它的理论值还有很大的一段距离，并存在容量衰减速度快，循环寿命不长等未解决的技术难题，导致锂硫电池并未批量化商业生产，仍处在一个研发实验阶段。大量研究者分析了锂硫电池的结构和工作原理，得出主要原因是电池内部活性物质的元素硫是一种绝缘体，其电子电导率很低，并且反应过程中的多硫化锂易溶于电解质中，产生了“穿梭效应”。 本学位论文针对锂硫电池在内部反应过程中存在的一系列阻碍其性能进一步提升的难题，将从硫正极改性这个方面深入设计和开展实验，来探索锂硫电池性能改性的一些相关影响因素。基于商业化P25，固相法制备导电Ti4O7纳米颗粒，并探究其对硫正极结构和性能的影响；采用溶剂热辅助法来制备不同形貌Ti4O7，研究其相应电化学行为的差异；通过制备 Ti4O7纳米棒/多层石墨烯复合正极材料，进一步讨论多层石墨烯的引入对于锂硫电池综合性能改性方面的影响。以下是具体的研究思路和成果： 在P25基础上固相法制备Ti4O7颗粒，氢气还原成功制备出直径为300 nm左右的Ti4O7颗粒，继而合成Ti4O7颗粒/硫复合正极材料。研究结果表明，作为硫的载体，Ti4O7颗粒相较于 P25，其化学键合作用得到了进一步加强，减少了多硫化物的穿梭效应，能对多硫化物产生物理吸附作用来增强复合正极的电子电导。相较于P25，采用Ti4O7颗粒作为正极改性的纽扣电池在1 C倍率下循环300圈之后仍保留467 mAh g-1的放电容量，在大倍率2 C下，放电比容量也能达到514 mAh g-1。 研究不同形貌Ti4O7对于锂硫电池正极改性的影响。分别加入乙醇和甘油作为溶剂，采用溶剂法制备出直径为130-150 nm，长为几十微米的纯相Ti4O7棒和粒径为几百纳米的Ti4O7颗粒，从而制备Ti4O7棒/硫以及Ti4O7颗粒/硫复合正极材料。对电池的CV和阻抗测试结果表明，在正极中加入Ti4O7棒，使得电池内部的电荷转移电阻得到有效降低，这促进了电化学反应的有效推进，较大提升了电池的循环倍率性能，相较于 Ti4O7颗粒作为正极，采用 Ti4O7棒作为正极改性的电池数据显示在1 C倍率下充放电循环300圈后，仍有580 mAh g-1的放电比容量。 在成功制备出纯相 Ti4O7 棒的基础之上，通过高温氢气还原的方法制备出Ti4O7棒复合多层石墨烯正极材料。多层石墨烯的引入，进一步减小了电池内部的阻抗。实验结果表明当Ti4O7棒复合复合石墨烯作为正极材料时，相较于纯相Ti4O7棒作为正极材料所组装的电池，电池在循环和倍率性能方面，又有了更进一步地改善，具体实验数据为在1 C倍率下循环300圈之后，仍旧保持着621 mAh g-1的放电容量。

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