石墨烯改性锂硫电池正极材料制备及电化学特性概述

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1、石墨烯改性锂硫电池正极材料制备及电化学特性概述第1章绪论1.1课题背景及研究的目的和意义新能源与可再生能源正在取代日益枯竭的化石能源，已成解决当今世界能源危机以及环境问题的有效手段之一[1,2]。进入21世纪，美国、法国、俄罗斯等国家加大了对可再生能源与新能源的开发和利用，其中二次电池作为新能源领域中储能装置的重要组成部分，通过化学反应实现化学能与电能的转化，避开热力学第二定律中卡诺循环的限制，具有较高的能量转化效率，成为新能源的研究热点[3-6]。二次电池主要有铅酸电池、镍铬电池、镍氢电池、锂二次电池等，其中锂二次电池由于其比能量高、充电效率

2、高、温度特性良好、自放电低、充电热效应小和无记忆效应等优点，在便携式电子产品、电动汽车、航天飞行器以及电网传输等领域得到了广泛应用，在当今社会、经济及科技的发展上发挥着巨大的作用，具有十分光明的应用前景[7-10]。锂电池的性能由电极材料性能、电解液性能和电池结构等决定，其中电极材料直接决定了其比能量大小以及循环寿命长短，尽管目前基于过渡金属氧化物正极材料的锂电池的理论比能量已接近于其理论比能量，但仍满足不了人类社会对高比能量和环保型二次电池日益增长的需求[11-14]。因此，寻找并开发出下一代具有能量密度高、成本低和寿命长的环境友好型锂二次电

3、池正极材料成为目前二次锂电池亟待解决的问题[15-19]。单质硫具有无色无毒、价格低廉及环境友好等优点，是一种非常有前景的锂二次电池正极材料[10,20]。采用单质硫为正极、金属锂为负极组装成的锂二次电池被称为锂硫二次电池(以下简称锂硫电池)。锂硫电池理论比能量为2600E、DOL、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)和氯碳酸酯(ClMC)等。正极一般采用单质硫、导电添加剂和粘结剂的复合材料[76]。尽管锂硫电池存在着比容量高、成本低，环境友好等特点，得到广泛的关注与研究，然而至目前为止仍未得到大规模生产与应用，究其根本原因是目前锂硫电池的

4、综合性能仍未能与锂离子电池相比拟，如电池的比能量、使用寿命和倍率性能等，通过研究分析可知，锂硫电池的应用和发展主要受限与以下原因[80-83]。第2章实验材料和研究方法2.1实验试剂及实验仪器........2.2测试与表征方法XRD测试被用于检查和分析正极材料制备前后石墨烯、碳纤维以及硫的相组成和相变化。本论文中样品的粉末X射线衍射谱图在Rigaku公司产的D/max-2000型衍射仪(λ=0.154056nm)上测得，衍射靶为CuKα，功率为40KV50mA，扫描角度2θ范围为5o~90o。拉曼光谱主要

5、用于分析复合材料的组成以及碳化状态。测试仪器为BrukerOpticsSenterraR200-L型拉曼散射仪，以Ar离子激光器为光源，激发波长为633nm，采集数据时间为10s。将样品粉末平铺于载玻片上，压平后进行测试。SEM可以直观地观察石墨烯基硫正极材料的微观形貌。本论文样品扫描电子显微镜测试在荷兰FEI公司Quanta200F型和日本日立公司的HITACHI-S4700型扫描电子显微镜上完成，加速电压为20~40kV。通过TEM及HRTEM(高分辨透射电镜)可以获得石墨烯基硫正极材料中石墨烯与硫、碳纤维与硫以及石墨烯与硫-碳纤维之间的结

6、构类型。本论文中透射电子显微镜测试在FEI公司的TeaiG2S-T，线分辨率为0.14nm。第3章石墨烯包覆硫正极材料的制备及电化学性能研究.......263.1引言.....263.2石墨烯-硫正极材料的制备.......263.3生长过程分析........273.4微观形貌分析........283.5晶态结构以及电子电导率分析.......303.6比表面积分析........313.7力学性能分析........323.8电化学性能研究.....343.9本章小结.........40第4章碳纤维增强改性石墨烯-硫正极材料的制备..

7、..414.1引言.....414.2FFS-S正极材料的制备及其电化学性能研究......424.3碳纤维增强改性石墨烯-硫正极材料的制备与研究.......514.4改性机制.........604.5本章小结.........66第5章三维石墨烯-硫正极材料的制备及其碳纤维增强......675.1引言.....675.2三维石墨烯-硫正极材料的制备与性能研究......685.3碳纤维增强改性三维石墨烯-硫正极材料的制备与性能研究.....765.3.1碳纤维改性三维石墨烯-硫正极材料的制备........765.3.2电化学性能对比.

8、....775.4.碳纤维增强改性机制........815.4.1电子传输路径分析......815.4.2电化学阻抗分析....825.5本章小结