三维石墨烯/纳米硫电极材料的一步合成及储锂性能研究

摘要

在生态环境的恶化以及人们对于能源需求日益高涨的大背景下，寻求一种高储能的新型锂离子二次电池已经成为科研的热点。硫由于在自然中储量丰富，无污染，成本低且储能密度高(1675mAh/g)，锂硫电池也为人们探索的方向提供了一种可能。但是，锂硫电池其自身也存在着天生不足的限制，例如硫单质以及其放电产物 Li2S的不导电性，再如锂硫电池在充放电过程中产生的“飞梭效应”，充放电过程中产生的体积应变等等。
　　本课题以三维石墨烯作为硫的载体，以硫代硫酸钠作为硫源。将氧化石墨烯溶液与硫代硫酸钠溶液混合，添加具有还原性的抗坏血酸(VC酸)与具有酸性的盐酸(HCl)混合液，一方面VC酸可以有效的去除氧化石墨烯中含氧官能团，促进片层与片层之间进行堆叠，进而形成三维结构，另一方面，盐酸电离出来的 H+与硫代硫酸钠参与反应，生成细小颗粒的硫单质，进而可以一步法制备3D-rGO/S正极材料。
　　本课题采用具有三维结构的还原氧化石墨烯对硫单质进行包覆，可以增加体系的导电性能，限制硫单质的流失，抑制飞梭效应。同时，其对于锂硫电池产生的体积应变具有良好的缓冲作用。三维石墨烯片层与片层一方面增大了硫的有效填充空间，另一方面提供了电子以及离子的传导通道。
　　结果表明，在120℃，反应3h的条件下，碳硫比为1:4时，制备出来的正极复合材料硫含量为46wt%，其放电比容量较其他配比为最高值，可达1051mAh/g，0.1C(1C=1675mAh/g)倍率下循环80次，其比容量依然可以达到884mAh/g，循环较为稳定。而后，又对表现较好、碳硫比为1:4的配方进行了条件摸索，课题设置了不同的反应时间，分别为2h、3h以及4h，探求反应时间对于硫含量及其电化学性能的影响。实验结果表明，反应3h时，其生成的硫单质较为细小且还原氧化石墨烯三维结构强度，孔隙大小较为适合。随着时间增加到4h时，由于硫单质的团聚现象和三维结构的过度紧凑，生成硫单质与电解液接触面积被缩小，硫单质颗粒利用率下降，其放电比容量存在下降的现象。

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引言

1 文献综述

1.1 二次电池及应用

1.1.1二次电池简介

1.1.2 锂离子二次电池

1.1.3 锂硫电池

1.2 石墨烯研究现状

1.2.1石墨烯简介

1.2.2 石墨烯的制备方法

1.2.3 三维石墨烯及其制备

1.3 锂硫电池电极复合材料的研究

1.3.1 普通碳材料/硫体系

1.3.2 导电聚合物/硫体系

1.3.3 石墨烯/硫体系

1.3.4 正极材料研究进展经验与不足

1.4 本题的研究意义及研究思路

1.4.1本课题的研究意义

1.4.2 本课题的设计思路

2 实验条件与方法

2.1 实验材料与设备

2.1.1实验原料试剂

2.1.2 实验仪器

2.2 3D-rGO/S复合材料的制备方法

2.2.1 氧化石墨烯的制备

2.2.2 3D-rGO/S复合正极材料制备

2.3 电池准备及组装

2.3.1电极片的制作

2.3.2 隔膜

2.3.3 电解液

2.3.4 电池组装

2.4 材料表征方法

2.4.1 X射线衍射(XRD)

2.4.2 扫描电子显微镜及(SEM)及其X射线能谱仪(EDS)

2.4.3 X射线光电子能谱(XPS)分析

2.4.4 热重分析(TG)

2.5 电化学测试方法

2.5.1循环伏安测试(CV)

2.5.2 充放电测试

2.5.3 交流阻抗测试(EIS)

3 实验结果及讨论

3.1 碳硫比对3D-rGO/S复合材料的影响

3.1.1 热重分析

3.1.2 扫描电镜(SEM)分析及其能谱(EDS)分析

3.1.3 X射线衍射(XRD)分析

3.1.4 X射线光电子能谱(XPS)分析

3.1.5 循环伏安测试

3.1.6 首次充放电分析

3.1.7 恒流充放电循环测试

3.1.8 倍率性能测试

3.1.9阻抗分析

3.1.10 小结

3.2 不同反应时间对3D-rGO/S复合材料的影响

3.2.1 热重分析

3.2.2 扫描电镜(SEM)分析以及能谱(EDS)分析

3.2.3 循环伏安测试

3.2.4 首次充放电测试

3.2.5 交流阻抗测试

3.2.6 小结

4 结论与展望

4.1 结论

4.2 工作展望

参考文献

致谢