离子液体辅助制备多孔碳材料用于锂硫电池的研究

摘要

随着化石能源的不断减少，混合动力装置以及电动汽车的日益兴起，人们对储能电池的能量密度和比容量提出了更高的要求。而锂硫电池具有高的理论比容量（1675mA h g-1），以及高的能量密度（2600W h kg-1），因此被人们评价为最有发展前景的能量存储系统之一。并且硫元素在大自然当中储存丰富（约占地球质量的3％），具有低成本、环境友好、无毒害以及良好的热动力学稳定性等优点。但是，锂硫电池也有一些劣势限制了它们在实际生活中的应用，比如硫单质和它的放电反应产物（Li2S和Li2S2）的导电性较差。另外，在电池的充放电过程当中，正极材料具有较大体积膨胀效应（约80％）和多硫化锂（Li2Sx，4≤x≤8）的穿梭效应，这些都严重制约了锂硫电池的发展。为了缓解这些问题，人们已经提出了很多方法和策略来改进正极材料并改善其在锂硫电池中的电化学性能。其中，基于离子液体（IL）的合成方法已经在各个领域进行了研究，这主要得益于离子液体本身优异的化学稳定性、热稳定性，以及宽的电化学窗口和结构的可设计等特性。基于此，本论文以IL为辅助，合成出了用于锂硫电池系统的硫碳正极材料，还对其物化特征以及电化学特性进行了分析，主要研究内容和结果如下所述： （一）离子液体辅助Pickering乳液制备石墨烯基复合材料用于锂硫电池的研究 在本章节中，通过简便的IL-微乳液法设计合成出了多孔碳包覆的石墨烯基纳米片M-GN。在Pickering乳液乳化过程中，以氧化石墨烯（GO）为表面活性剂和模板，使用疏水性离子液体[BMIm]FeCl4为GO的稳定剂，并形成稳定的乳液环境。由于带负电荷的氧化石墨烯和带正电荷的阳离子1-丁基-3-甲基咪唑（BMIm+）之间具有强烈的静电作用，因此有助于形成稳定的微乳液体系，另外IL还可促进多孔碳层在GO表面的均匀生长。制备得到S/M-GN正极，在0.1C下提供1331mA h g-1的高电容量，在0.5C下循环100圈后，仍保持757mA h g-1的可逆容量。 （二）高性能碳纳米管基一维纳米复合材料用于锂硫电池的研究 本章使用离子液体[BMIm]FeCl4为碳纳米管的分散剂，通过与蔗糖水溶液混合形成W/IL体系，在离子液体环境中热合成了多孔碳包覆的碳纳米管基一维纳米复合材料C@CNT-IL。将制备得到的S/C@CNT-IL复合正极进行电化学测试时，在0.1C的电流密度下提供1188mA h g-1电容量，在2C的高电流密度下可以达到563mA h g-1的可逆容量。而在0.5C的电流密度下循环100圈后，仍保持有610mA h g-1的高电容量。

目录

引言

1 文献综述

1.1 锂硫电池简介

1.1.1 锂硫电池的发展

1.1.2 锂硫电池的工作原理

1.1.3 锂硫电池的问题和应对策略

1.2 锂硫电池正极材料的研究进展

1.2.1 石墨烯基复合材料

1.2.2 碳纳米管基复合材料

1.3 离子液体简介

1.3.1 离子液体的分类

1.3.2 离子液体的性质

1.3.3 离子液体的应用

1.4 本论文的选题意义和研究内容

2 离子液体辅助Pickering乳液制备石墨烯基复合材料用于锂硫电池的研究

2.1 实验部分

2.1.1 主要化学试剂和仪器

2.1.2 离子液体的制备

2.1.3 碳材料的制备

2.1.4 硫/碳复合材料的制备

2.1.5 结构和形貌表征方法

2.1.6 电化学测试方法

2.2 结果与讨论

2.2.1 结构与形貌结果分析

2.2.2 电化学测试结果分析

2.3 本章小结

3 高性能碳纳米管基一维纳米复合材料用于锂硫电池的研究

3.1 实验部分

3.1.1 主要化学试剂和仪器

3.1.2 离子液体的制备

3.1.3 碳材料的制备

3.1.4 硫/碳复合材料的制备

3.1.5 结构和形貌表征方法

3.1.6 电化学测试方法

3.2 结果与讨论

3.2.1 结构与形貌结果分析

3.2.2 电化学测试结果分析

3.3 本章小结

结论

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

申请专利情况

致谢