基于碳纳米材料的高性能锂硒电池的构建及性能研究

摘要

硒，作为硫的同族元素，是一种极具发展前景高能量型锂硒电池正极材料。它具有和硫相当的高体积比容量（3253 mAh cm-3），导电性也远高于硫。但是硒作为锂离子电池正极材料时也存在一些问题：在充放电过程中生成的多硒化物产生穿梭效应，造成活性物质利用率低、循环性能较差及充放电过程正极材料体积变化明显等，这成为锂硒电池实用化的最大阻碍。围绕如何解决锂硒电池穿梭效应，提高锂硒电池性能，本论文对锂硒电池正极材料的结构设计、隔膜材料改性等进行系统的研究，利用石墨烯三维宏观体多孔材料对硒的限域效应以及碳纳米管的高导电性，改善了锂硒电池的电化学性能，为锂硒电池的研究提供了思路。本论文研究工作主要包括：
　　以氧化石墨烯和多壁碳纳米管为原料，通过水热还原并经冷冻干燥后处理的方法得到石墨烯-碳纳米管三维多孔碳材料（G-CNTs），并采用熔融浸渍法设计合成了硒/石墨烯-碳纳米管三元复合材料（Se/G-CNTs），探讨了 Se/G-CNTs作为锂离子电池正极材料时的循环特性和倍率特性，并探究了G-CNTs中碳纳米管含量对于锂硒电池性能的影响。结果表明当碳纳米管与氧化石墨烯的质量比为1:5.7时，复合电极材料电化学性能最佳：首圈容量为575 mAh g-1，0.5 A g-1下循环100圈后容量仍达410 mAh g-1，容量保持率为71％；倍率性能良好，在2 A g-1的大电流密度下，容量仍能保持479 mAh g-1，表明了Se/G-18CNTs是一种理想的锂硒电池正极材料。
　　为了进一步改善锂硒电池的循环性能，通过真空抽滤制备了碳纳米管修饰的多孔膜，将其作为电池隔膜，并以 Se/G-18CNTs复合材料作为正极，组装成锂硒电池。多孔的三维碳纳米管隔膜进一步阻碍了中间产物多硒化锂向电解液的溶出及负极锂的迁移，有效抑制了锂硒电池的穿梭效应。因此，含有碳纳米管功能性薄膜的电池表现出较好的循环稳定性。在0.5 A g-1下循环80次后仍能保持538 mAh g-1的容量，容量保持率由原来的75%提高到了87.3%。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 锂硒电池发展现状及瓶颈

1.3 石墨烯及其在锂离子电池中的应用

1.4碳纳米管及其在锂离子电池中的应用

1.5 石墨烯/碳纳米管复合材料简介

1.6 本论文研究内容目的和内容

第二章 实验材料和研究方法

2.1 实验试剂及原料

2.2 主要实验设备与仪器

2.3材料表征所用设备

2.4 电化学测试手段及原理

2.5电极极片的制备和电池的组装

第三章 硒/石墨烯-碳纳米管三元复合材料的制备及性能研究

3.1 引言

3.2 材料制备

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 基于碳纳米管阻隔层的高性能锂硒电池研究

4.1引言

4.2 实验部分

4.3 改性碳纳米管隔膜结构表征

4.4 功能性薄膜化锂硒电池电化学性能表征

4.5本章小结

第五章 总结与展望

5.1 本文主要结论

5.2 本文主要创新点

5.3 工作展望

参考文献

发表论文及科研情况

致谢