金属化合物改性高性能锂-硫电池正极相关材料的研究

摘要

锂-硫电池理论比能量高达2600Wh/Kg，远高于目前所使用的二次电池的比能量，而且具有环境友好、价格低廉等优点，有望成为下一代商业化二次电池。但是，活性物质单质硫及其最终放电产物导电性差、放电中间产物多硫化物在电解液中产生“穿梭效应”及放电过程中的体积膨胀等原因导致了其活性物质利用率低、循环性能差，限制了锂-硫电池的应用。近来研究者们发现金属化合物对提升锂-硫电池正极相关材料的性能有较好的作用。我们制备并表征了四种金属氢氧化物包覆的碳硫正极复合材料的性能，同时制备并表征了负载氧化镁的细菌纤维素中间层的性能，研究了以上两类材料对电池循环性能及倍率性能的影响，主要结论如下:
　　1.金属氢氧化物改性正极材料研究。利用水热法在制备的碳硫复合材料表面分别生成一层纳米氢氧化铝、纳米氢氧化钴、纳米氢氧化铈和纳米氢氧化镍包覆层，将其制备成正极极片，保证载硫量在2.5mg/cm2，组装成电池后进行电化学性能测试。结果显示，纳米氢氧化铝包覆的碳硫复合材料的循环性能最好，首次放电比容量为1192mAh/g，经过80圈循环后放电比容量保持在797mAh/g，容量保持率为67％，较碳硫复合材料和其他金属氢氧化物包覆的碳硫复合材料均有显著提高，而且也显示了很好的倍率性能。此外，经过纳米金属氢氧化物处理的碳硫复合材料相比未处理的碳硫复合材料性能均有所提高。
　　2.细菌纤维素/氧化镁中间层研究。通过原位反应在细菌纤维素表面生成氢氧化镁，碳化后得到细菌纤维素/氧化镁中间层复合材料。将其组装成载硫量2.5mg/cm2以上的电池进行电化学性能测试，显示了优良的循环性能和倍率性能。装配有细菌纤维素/氧化镁中间层的电池相比不含中间层和含有细菌纤维素中间层的电池有着最好的循环性能，其首次放电比容量高达1334mAh/g，循环100圈后放电比容量仍有922mAh/g，容量保持率为69.1％，而且有着最好的倍率性能，在1.5C充放电条件下，放电比容量仍有304mAh/g。细菌纤维素/氧化镁中间层很好地改善了电池的性能。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 锂-硫电池概述

1．2．2 锂-硫电池的充放电机理

1．2．3 锂-硫电池存在的问题及其解决思路

1．3 锂-硫电池的研究进展

1．3．1 锂-硫电池正极材料的研究进展

1．3．2 锂-硫电池中间层的研究进展

1．3．3 锂-硫电池隔膜的研究进展

1．3．4 锂-硫电池电解液的研究进展

1．3．5 锂-硫电池负极研究进展

1．4 本文立题依据及研究内容

第二章 实验部分

2．1 实验试剂和仪器

2．2 材料表征

2．2．1 热重分析仪(TGA)

2．2．2 扫描电子显微镜(SEM)

2．2．3 透射电子显微镜(TEM)

2．2．4 电导率测试

2．2．5 X射线光电子能谱仪(XPS)

2．2．6 X射线衍射仪(XRD)

2．3 极片及中间层的制备与电池装配

2．3．3 电池装配

2．4 电化学性能测试

2．4．1 恒流充放电测试

2．4．2 交流阻抗测试

2．4．3 循环伏安测试

第三章 金属氢氧化物包覆正极材料的研究

3．1 引言

3．2 碳硫复合材料的制备及金属氢氧化物包覆改性

3．3 材料表征

3．4 材料的电化学性能比较

3．4．1 循环性能

3．4．2 充放电曲线

3．4．3 倍率性能

3．4．4 循环伏安测试

3．4．5 交流阻抗测试

3．5 本章小结

第四章 细菌纤维素／氧化镁中间层对锂-硫电池性能影响研究

4．3 材料表征

4．4 细菌纤维素／氧化镁中间层的电化学性能

4．4．1 循环性能

4．4．2 恒流充放电曲线

4．4．3 倍率性能

4．4．4 循环伏安测试

4．4．5 交流阻抗测试

4．5 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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