硫掺碳纳米粒子作为锂氧电池的阴极

摘要

随着小型智能化设备广泛使用以及传统燃油车被电动车取代，人们对电池的性能要求越来越高，虽然目前使用的电池满足一部分电子设备能量要求，但对大型电动设备如新能源汽车，要求更高的能量密度，才能满足对客户里程的要求，因此锂空电池作为下一代电池吸引越来越多人的注意，由于锂空电池具有较高的能量密度11400Wh kg-1(把氧气计算排除)，几乎和汽油能量密度相当。 本文选用碳材料作为阴极基底，是由于质量轻，导电性优良，价格便宜等，而且具有良好的催化性能，最先在燃料电池上应用，发现有较好催化ORR和OER的能力，但碳材料作为锂空电池阴极催化剂，电池放电电势过高，副产物生产，更重要的是由于容量衰减过快，以至于不能实际应用，因此希望改变碳材料性质，以降低容量衰减，通常是做成碳纳米管，或者石墨烯等等，比较简单方法就是掺杂，通过掺杂改变碳的原有结构，改变其性质。单质硫作为掺杂元素，操作简单，而且硫储量丰富。本文通过直流电弧法制备碳纳米颗粒，再用管式炉掺硫，制备出硫掺碳纳米颗粒，通过XRD，SEM表征，说明直流电弧法制备的碳纳米材料单一，粒径均一，通过拉曼和EDS表征，证实硫掺入碳中，硫掺入量约为5%，把制备好的硫掺碳纳米颗粒研磨，稀释后负载在碳纸上作为锂空电池阴极材料。 把硫掺碳阴极和碳阴极作电化学测试，其中CV图表明，掺硫的ORR活性要高于未掺硫的阴极，说明掺硫的催化性要比不掺硫的碳材料好，对其限电压为2-4.5V首次充放电曲线图。当电流密度分别限定在50，150,200mA·g-1时，对应的比容量分别为3600,2100,1400mAh·g-1。与未掺硫的碳材料相比，无论是对应的电流密度下的比容量和电压都比较好，虽然电流密度增加，电充放电电势差也增加，但增加的幅度要远远小于碳材料的幅度（硫掺碳材料电势差约为1.5V，碳材料电极电势差约为1.65V），这相对低的充放电电势差说明掺硫可以提高碳的催化性能，特别是对于氧化原（ORR）过程，改善碳材料催化性能有明显作用。硫掺碳纳米材料电极在恒流100mA·g-1电流密度和限定容量为500mAh·g-1下循环曲线，硫掺碳纳米电极循环14圈，而碳纳米电极循环11圈，说明其循环性有提高。通过对其充放电产物红外原始状态下电极片表征，表明放电产物过氧化锂能随着充放电，形成与分解，说明具有良好的循环能力，验证了硫掺碳的催化性，但通过XRD和F T-IR表明也有一些副产物生产，负载阴极上，这也可能是限制循环寿命和充放电比容量的原因。

目录

声明

引言

1 绪论

1.1 锂空电池简介

1.2 锂空电池的工作原理

1.3 有机电解液研究进展

1.3.1 碳酸酯类电解液

1.3.2 醚类电解液

1.3.3 砜类电解液

1.3.4 胺类电解液

1.3.5 腈类电解液

1.4 阴极催化剂的研究现状

1.4.1 碳类催化剂

1.4.2 贵金属类催化剂

1.4.3 非贵金属氧（碳，氮）化物

1.4.4 复合材料催化剂

1.5 本论文选题依据和主要研究思路

2.1 实验仪器及试剂

2.2 实验方法

2.2.1 碳纳米粒子的制备

2.2.2 硫掺碳纳米颗粒制备

2.2.3 锂空电池组装

2.2.4 锂空电池电化学测试

2.2.5 阴极充放电产物检测

2.3 物化性质表征

2.3.1 X射线衍射图谱（XRD）

2.3.2 扫描电子显微镜（SEM）及能谱（EDS）

2.3.3 傅里叶变换红外光谱(FT-IR)

2.3.4 拉曼光谱分析(Raman)

3 碳纳米颗粒电化学测试与表征

3.1 碳纳米颗粒的表征

3.2 碳材料电化学性能

3.3 碳电极充放电产物检测

3.4 本章小结

4 硫掺碳纳米颗粒的制备及其电化学测试

4.1 硫掺碳纳米颗粒的制备

4.2 硫掺碳纳米粒子表征

4.2.1 X射线衍射技术（XRD）

4.2.2 拉曼光谱测试技术（Raman）

4.2.3 能谱仪分析（EDS）

4.3 硫掺碳电极电化学性能

4.4 硫掺碳纳米粒子的催化机理

4.5 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

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