以石墨烯气凝胶为柔性导电基底的锂硫电极材料的制备及电化学性能研究

摘要

与传统的过渡金属氧化物比较，锂硫电池作为一种新型电极材料，具有高达1670 mAh g-1理论比容量。同时，锂硫电池还具有能量密度高、低污染、廉价、硫资源丰富等优点。由于这些特性，锂硫电极在高能量密度电池、柔性电极以及新型交通工具等方面极具发展潜力和应用前景。然而，近年来锂硫电池的实际应用和工业化的发展主要由以下的一些原因限制。首先，硫是绝缘体，不利于电荷转移。其次，硫在充放电过程中容易发生“液-固-液”的形貌转化，造成“穿梭效应”以及活性物质的流失。
　　柔性电极由于其高的能量密度、较小的质量以及其在可穿戴设备和移动电子产品方面的应用，被认为是继电脑和手机之后又一款革命性的产品，得到了非常广泛的的关注。但是传统的柔性电极往往导电性差，不能经受反复的压力形变和弯曲形变。
　　基于以上理解，将锂硫电池和柔性电极结合起来将会有很大的发展空间。为了解决锂硫电池和柔性电极面临的问题，本文主要开展了以下工作：
　　（1）“核壳”结构的聚合物包覆结构锂硫正极材料。
　　为了阻止多硫化物的溶解和流失，我们采用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）为包覆单质硫的聚合物。该聚合物可以形成一层聚合物的壳包覆在硫单质的表面，形成核壳结构，抑制多硫化物的流失。同时，该聚合物与硫有着较高的结合能，进一步阻止多硫化物的溶解和流失。该活性物质呈现出单分散的颗粒，大小约为1μm，有着较大的表面积，有效的促进电解质的浸润。更重要的是，由于PVP的束缚作用，该锂硫电极呈现出了很好的循环性能。以0.1 C倍率实现初始放电比容量达1230 mAh g-1，在1 C的高倍率下循环500次之后，比容量仍保持在450 mAh g-1以上。
　　（2）基于石墨烯气凝胶的柔性基底研究。
　　石墨烯是由SP2杂化碳原子组成，并且具有二维的层状结构、优秀的机械性能、高导电线以及出色的化学稳定性。近年来已成为材料科学领域中的明星材料。本文采用石墨烯气凝胶为导电柔性基底，省去了传统电极的金属集流体和粘接剂，提高了电极的能量密度。

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第一章 绪论

1.1课题背景

1.2 锂硫电池的原理

1.3 锂硫电池存在问题和解决方法

1.4 硫和碳的复合材料来提升锂硫电池的电化学性能

1.5硫和聚合物的复合材料以提升锂硫电池的电化学性能

1.6 柔性储能材料概述

1.7 本文研究目的与主要研究内容

第二章 实验部分

2．1 药品和仪器

2.2 柔性锂硫电极的制备

2.3 材料的物理表征

2.4 电池组装及电化学性能测试

第三章 基于石墨烯气凝胶柔性锂硫电极的研究

3.1 石墨烯气凝胶柔性锂硫电极的形貌表征

3.2 X 射线衍射表征

3.3 TGA 热重分析

3.4 锂硫柔性电极电化学性能的研究

3.5 本章小结

第四章 PEDOT修饰的锂硫柔性电极

4.1 TGA热重分析

4.2 PEDOT修饰的锂硫柔性电极的恒流充放电测试

4.3 PEDOT修饰的锂硫柔性电极的循环伏安测试

4.4 PEDOT修饰的锂硫柔性电极的电化学交流阻抗测试

4.5 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望与挑战

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表论文及研究成果