锂硫电池正极材料和中间层材料的制备及电化学性能研究

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1、锂硫电池正极材料和中间层材料的制备及电化学性能研究(申请清华大学工学硕士学位论文)培养单位：材料学院学科：材料科学与工程研究生：李清指导教师:李宝华教授二○一七年五月StudyontheSynthesisofFunctionalInterlayerandCathodeMaterialsandTheirElectrochemicalPerformanceofLithium-SulfurBatteriesThesisSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementfo

2、rthedegreeofMasterofScienceinMaterialsScienceandEngineeringbyLiQingThesisSupervisor:ProfessorLiBaohuaMay,2017摘要摘要能源在全球经济快速发展中的地位极为重要。同时，化石燃料的使用所引起的环境问题也引起了大家对可再生能源领域的注意。由于可再生能源本质上通常是间歇性的，因此需要诸如电池等存储技术来有效地利用它们。锂硫电池由于它的高理论能量密度，高比容量，低成本，环境友好以及储量丰富等优点吸引了大[1]家额外注意。然而，锂硫电池中还存在一些亟待

3、解决的问题，包括硫作为正极导电性差-30-1（25°C下导电率为10Scm），体积膨胀严重（约80%）以及其中的穿梭效应。高度可溶的多硫化物中间体（Li2Sx，x>3）极易溶解在液态电解质中并穿过隔膜，然后被还原成Li2S或Li2S2，并部分沉积在锂负极的表面上，造成电池活性物质不可逆的损失，严重的自放电，低的库伦效率，阻抗的增大和在电池持续的[2]容量衰减。这些问题阻碍了其理论比容量的实现，阻碍了其实际应用的实现。因此锂硫电池正极的设计作为最直接的改性方法十分重要，同时为了进一步利用溶解在电解液中的多硫化物，锂硫电池中间层也成为了大家关注的重

4、点。首先，本文提出了制备一种层次化孔结构的类石墨烯多孔碳（记为PGB）和硫复合作为锂硫电池的正极来改善锂硫电池的电化学性能。PGB具有丰富介孔将多硫化物束缚在正极。同时其卷曲的碳层结构构建了第二层保护进一步限制了多硫化物的穿梭，因此可以得到更为优异的电化学性能。其次，本文还通过简单的方法合成了一种ZnFe2O4碳复合材料（记为ZnFe2O4@C），用于锂硫电池正极得到与硫的复合材料（记为ZnFe2O4@C@S），ZnFe2O4的加入使得基体对多硫化物具有了吸附作用，因此得到了较优异的电化学性能。本文还通过将电纺碳化后的碳纤维膜浸泡在聚丙烯腈溶液

5、中，随后进行环化热处理的方法得到一种由外部环化聚丙烯腈网络和内部碳纳米纤维骨架组成新的功能化中间层（记为CP@CNF）从而提高锂硫电池的循环性能。具有优良导电性的CNF膜骨架可作为重新利用硫的平台，而导电环化聚丙烯腈网络因为具有丰富的极性吡啶氮基团可以捕获多硫化物重新利用并通过吸附作用限制其溶解和穿梭。通过将CP@CNF中间层和纯硫电极匹配组装成锂硫电池，可以得到更为优异的循环和倍率性能。关键词：锂硫电池，锂硫中间层，多硫化物吸附，碳硫正极，电化学性能IAbstractAbstractEnergyavailabilityiscontinuall

6、ybecomingmoreessentialtorapideconomicdevelopmentglobally.Withafocusonthenegativeimpactsoffossilfuels,anincreasedefforthasbeenappliedtothefieldofrenewableenergy.Sincerenewableenergysourcesareoftenintermittentinnature,storagetechnologies,suchasbatteries,arerequiredtousethemeff

7、ectively.Lithium-sulfur(Li-S)batterieshaveattractedparticularattentionduetothehightheoreticalenergydensityandspecificcapacity.Additionally,sulfuris[1]anenvironmentallyfriendlyandlow-costmaterialwithabundantreserves.However,Li-Sbatteriesalsoshowseveralseriousdefects,including

8、poor-30-1conductivity(about10Scmat25°C),largevolumeexpansion(about80%)ofsul