锂硫电池正极材料的制备及其电化学性能的研究.pdf

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1、分类号：密级：学号：2015210571单位代码：10759石河子大学硕士学位论文锂硫电池正极材料的制备及其电化学性能的研究学位申请人刘力指导教师王刚教授申请学位类别工程硕士专业名称化学工程研究领域功能材料所在学院化学化工学院中国·新疆·石河子2018年6月Synthesisandelectrochemicalperformanceofsulfur-containedcathodematerialsforlithiumsulfurbatteriesADissertationSubmittedtoShiheziUniversityInPartialFulfillmentoftheRequ

2、irementsfortheDegreeofMasterofEngineeringByLiuLi(ChemicalEngineering)DissertationSupervisor:ProfessorWanggangJune,2018摘要随着社会的发展，开发高能量密度、安全、廉价的电化学储能设备显得越来越重要。传统锂离子电池因为其正极材料理论容量较低，成本高，难以满足社会的发展需求。近几年来锂硫电池体系引起了科研工作者的关注，元素硫的理论比容量为1675mAhg-1，比商业使用的过渡金属磷酸盐和氧化物高出至少10倍。另外元素硫具有资源丰富、成本廉价和环境友好的特性，使得锂硫电池有望成

3、为能够商业化应用的高能密度储能设备之一。尽管锂硫电池前景广阔，但在其实际应用中仍面临着许多挑战。硫较差的导电性和放电产物多硫化物的溶解以及锂化过程中硫的体积膨胀(～80%)造成锂硫电池的电化学性能衰退。本论文设计了金属氧（硫）化物-碳材料或者金属氧（硫）化物-导电聚合物作为硫载体，一方面可以提高电极材料的导电性，另一方面可以缓解多硫化物的“穿梭效应”，并对其形貌与结构和电化学性能进行研究，取得了以下成果：（1）设计了泡沫状石墨烯负载二氧化钛纳米颗粒复合材料（G-TiO2）作为硫载体，之后经过硫熔融扩散的方法制备了G-TiO2/S正极材料。泡沫状石墨烯相互交联的网络结构可以作为电荷载体的

4、快速通道，提供较强的导电性；TiO2纳米颗粒可以化学锚定多硫化物，限制多硫化物的“穿梭效应”。本论文对G、G-TiO2和G-TiO2/S进行了形貌与结构的表征，并且研究了不同比例的石墨烯和TiO2对正极材料电化学性能的影响，发现泡沫状G-TiO2-30%/S具有优异的电化学性能。在0.1C的电流密度下，50周循环以后放电比容量为990.2mAhg-1。即使在2C的电流密度下，材料的放电比容量仍能达到635.4mAhg−1。（2）设计荔枝状多壳层结构聚苯胺包裹二氧化钛包裹硫纳米球复合材料（S@TiO2@PANI）作为锂硫电池正极材料。TiO2纳米壳层可以有效地吸附多硫化物，与此同时聚苯胺

5、提供导电网络促进锂离子或者电子的传输。本论文对S纳米球、S@TiO2纳米球和荔枝状多壳层结构S@TiO2@PANI进行了形貌与结构的表征，并且研究了不同比例的TiO2和聚苯胺对正极材料电化学性能的影响，其中由质量比为5:3的S@TiO2与苯胺合成的荔枝状多壳层结构S@TiO2@PANI-2具有优异的电化学性能。在0.1C的电流密度下，100周循环以后放电比容量为1150.3mAhg-1。即使在2C的电流密度下，材料的放电比容量仍能达到638.1mAhg−1。（3）设计聚噻吩包裹硫化钴多壳层纳米盒（CoS@PTh）作为硫载体，之后经过硫熔融扩散的方法制备了S@CoS@PTh多壳层纳米盒正

6、极材料。CoS纳米盒能够有效地限制多硫化物的“穿梭效应”，聚噻吩能够提高电极材料的导电性。本论文对CoS纳米盒、CoS@PTh纳米盒和S@CoS@PTh多壳层纳米盒进行了形貌与结构的表征，并且研究了不同比例的CoS和PTh对正极材料电化学性能的影响，其中由质量比为4:1的CoS纳米盒与噻吩合成的S@CoS@PTh-2多壳层纳米盒正极材料具有优异的电化学性能。在0.2C的电流密度下，150周循环以后放电比容量为751.7mAhg-1。即使在2C的电流I密度下，材料的放电比容量仍能达到640.1mAhg−1关键词：锂硫电池；正极材料；碳材料；金属氧化物；导电聚合物；金属硫化物；IIAbsr

7、actWiththedevelopmentofsociety,developingthehigh-energydensity,safeandlow-costelectrochemicalenergystoragedevicesarebecomingmoreandmoreimportant.Thetraditionallithium-ionbatteryhaslowtheoreticalcapacityandhighcostwithitscath