高性能锂硫电池正极材料的制备及性能

摘要

近年来，锂硫电池由于其具有超高的理论比容量(1672mAh g-1)、理论比能量(2600Wh kg-1)、硫的来源广泛以及绿色无污染等优点吸引了全球研究者的密切关注。然而，由于单质硫及其放电产物Li2S的绝缘性，硫在充放电过程中的体积变化和多硫化物易溶于电解液所造成的“穿梭效应”都限制了锂硫电池的实际应用和发展。目前关于锂硫电池的研究当中，碳/硫复合材料的研究最为广泛，也是公认的最具潜力的正极材料。本文主要通过制备出介孔掺氮碳基材料以及碳纳米管-介孔碳材料进行载硫来解决锂硫电池所面临的一系列问题。
　　(1)介孔掺氮碳基材料用于锂硫电池的正极材料研究。
　　首先，介孔碳可以通过介孔的毛细作用限制多硫化物的溶出，从而减少甚至消除充放电过程中的“飞梭效应”;此外，有研究表明，氮掺杂的碳基材作为硫载体，在充放电过程中氮原子与硫原子之间可以形成氮硫键，从而固定住硫。本文以魔芋精粉作为碳源，三聚氰胺作为氮源以及氢氧化钾作为活化剂，通过高温碳化并制孔，制备出具有高比表面积的掺氮介孔碳基材料。电化学测试结果显示，该复合材料在0.5C倍率下循环200圈后可逆容量为532mAh g-1，展现出了较好的循环性能。此外，循环过程中的库伦效率始终保持在98％左右。
　　(2)碳纳米管-介孔碳材料用于锂硫电池的正极材料研究。
　　碳纳米管具有良好力学性能、导电和导热性能，使其能够成为锂硫电池优秀的导电添加剂。本实验中，以碳纳米管为基体，通过水热法在碳纳米管外管壁上包覆一层水热碳.，随后高温处理除去水热碳中的含氧基团，并同时制孔得到碳纳米管-介孔碳材料。最后利用热熔法将升华硫载入碳纳米管-介孔碳的介孔中，得到碳纳米管-介孔碳/硫复合材料。介孔碳为硫提供了充分的储存空间，碳纳米管发挥了其优异的导电性能，作为导电桥梁，大大缩短了离子与电子的传输路径。电化学性能测试表明，该复合材料在0.2C的倍率下循环200圈具有653mAh g-1的放电比容量，当倍率增加到1C时，循环200圈后的放电比容量仍高达569mAh g-1，表现出了极其优异的大倍率放电性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 锂硫电池的概述

1．2．1 锂硫电池的发展历史

1．2．2 锂硫电池的结构组成

1．2．3 锂硫电池的工作机理

1．2．4 锂硫电池面临的问题

1．2．5 锂硫电池国内发展现状

1．3 锂硫电池正极材料研究现状

1．3．1 碳／硫复合材料

1．3．2 导电聚合物／硫复合材料

1．3．3 金属氧化物／硫复合材料

1．4 本课题的主要研究内容和研究意义

第二章 实验试剂，仪器及方法

2．1 实验试剂

2．2 实验仪器

2．3 材料的表征方法

2．3．1 X射线衍射分析(XRD)

2．3．2 扫描电子显微镜(SEM)

2．3．3 透射电子显微镜(TEM)

2．3．4 热重分析(TGA)

2．3．5 氮气脱吸附分析(BET)

2．4 电极片制备以及纽扣电池的组装

2．5 电化学性能测试

2．5．1 充放电测试

2．5．2 循环伏安测试(CV)

2．5．3 交流阻抗测试(EIS)

第三章 魔芋基掺氮介孔碳／硫正极复合材料的制备及其电化性能研究

3．1 引言

3．2 材料制备

3．2．2 魔芋基掺氮介孔碳／硫正极复合材料的制备

3．3 材料表征及电化学测试

3．3．1 材料表征

3．3．2 电化学性能测试

3．4 结果与讨论

3．4．1 微观形貌分析

3．4．2 孔结构测定

3．4．3 X射线衍射分析

3．4．4 热重分析

3．4．5 X射线光电子能谱分析

3．5 电化学性能分析

3．5．1 循环伏安分析

3．5．2 恒流充放电测试

3．5．3 倍率性能测试

3．5．4 交流阻抗谱分析

3．6 本章小结

第四章 碳纳米管-介孔碳／硫复合材料的制备及电化学性能研究

4．1 引言

4．2 材料制备

4．2．1 实验试剂与仪器

4．2．2 碳纳米管-介孔碳／硫复合材料的制备方法

4．3 材料表征及电化学测试

4．3．1 材料表征

4．3．2 电化学性能测试

4．4 结果与讨论

4．4．1 微观形貌分析

4．4．2 孔结构测定

4．4．3 X射线衍射分析

4．4．4 热重分析

4．5 电化学性能分析

4．6 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 不足与展望

参考文献

附录

致谢