硫_导电聚合物复合电极材料的制备及其改性研究

《硫_导电聚合物复合电极材料的制备及其改性研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、学校代码10530学号201510141414分类号O646密级公开硕士学位论文硫/导电聚合物复合电极材料的制备及其改性研究学位申请人满金芝指导教师李朝晖教授学院名称化学学院学科专业化学研究方向物理化学二零一八年六月二日PreparatioofSulfur/ConductivePolymercompoiteElectrodeMaterialsandtheModificationStudiesCandidateJin-zhiManSupervisorProfessorZhao-HuiLiCollegeCo

2、llegeofChemistryProgramPhysicalChemistrySpecializationElectrochemistryDegreeMasterofScienceUniversityXiangtanUniversityDateJune2th,2018硫/导电聚合物复合电极材料的制备及其改性研究摘要近年来，元素硫因其自身具有的诸多特点，成为最具潜在应用价值的下一代正极活性材料之一。在开发的电化学储能系统中，锂-硫电池以其较高的理论能量密度，较低的环境影响和低廉的成本优势成为最具前景的二

3、次电池。在锂-硫电池的电化学反应过程中，锂金属被氧化，硫在放电过程中与锂离子反应。基于硫和锂之间的可逆氧化⇋还原反应（16Li+S8⇋8Li2S），硫电极理论上可以达到1672mAhg-1的比容量，理论能量密度高达2600Whkg-1，锂-硫电池工作电压平台（包括1.9-2.1V和2.4V(vs.Li+/Li)）。但是，硫电极还存在几个问题，如硫的绝缘性（25℃下的电子导电率为5×10-30Scm-1）；锂化/脱锂过程中，硫发生较大的体积膨胀；中间放电产物多硫化物（Li2Sn，4≤n≤8）在电解液中的溶

4、解以及在充放电过程中产生的穿梭效应等，导致它的循环寿命差，比容量低，活性物质利用率低。为了改善这些缺陷，本论文中，我们从以下几个方面着手研究：（1）制备纳米硫；（2）将硫与导电聚合物复合；（3）将硫颗粒用石墨烯包裹再与导电聚合物复合；（4）与金属硫化物进行复合。（1）采用液相沉淀法合成了直径为110-130nm的单质硫粒子，通过不同的酸掺杂使苯胺在分散的硫粒子中通过原位聚合法得到导电聚合物，探究不同酸掺杂对材料形貌、结构以及电化学性能的影响。结果表明，硫在样品中均以典型的α-S8正交晶型出现，说明在与聚

5、合物复合过程中其结构不变。其中，植酸掺杂的聚合物链为三维网络结构，具有大量微孔。通过TEM测试进一步确定，由植酸（PA）掺杂合成的S/PANi-PA材料的形貌和组成元素。通过对不同酸掺杂的电极材料进行充放电测试分析，发现S/PANi-PA样品的电化学性能最好。其在1.5-3.0V电压范围内，在0.1C电流密度下，首次放电比容量为1278mAhg-1，50次循环以后容量保持75.6%。在0.2C和0.5C倍率下的最高放电比容量分别为1126和934mAhg-1，经过50次充放电循环后，放电比容量分别为81

6、5和765mAhg-1。（2）研究了Hummers法制备的氧化石墨烯掺杂对S/PANi-PA改性作用。SEM/TEM测试结果显示，单质硫粒子表面包裹了一层石墨烯薄层，然后由PANi纳米纤维相互串联在一起。电化学性能测试结果表明，掺杂的石墨烯浓度为1.5mgml-1时得到的复合材料S@rGO/SPANi-1.5电化学性能最好。其在0.05C、0.1C、0.2C、0.5C和1C倍率下，首次放电比容量分别为1375mAhg-1、1282mAhg-1、1105mAhg-1、929mAhg-1和807mAhg-1

7、。在0.1C、0.2C和0.5C倍率下经过50次循环后容量保持率分别为77.2%、73.1%和72.7%。样品的库伦效率I湘潭大学硕士毕业论文达到96%以上。研究结果表明：石墨烯掺杂穿插在聚合物链之间，增强材料的电子导电能力。石墨烯包覆在硫粒子表面，有效地缓解了硫粒子体积膨胀，改善了样品的电化学性能。（3）采用水热法制备了CoS2/rGO，然后通过熔融扩散法将单质硫渗入CoS2/rGO的石墨烯片层内，得到多孔的S@CoS2/rGO复合材料。通过对材料的物理性质和电化学性质表征，得到以下结论：XRD测试结

8、果表明，熔融扩散的硫的XRD谱图中衍射峰角度略微向小角度偏移，说明其层间距扩大，Co2+在中间起到一定支撑作用，二硫化钴晶体结构未受明显影响。BET测试结果显示，S@CoS2g-12/rGO样品的比表面积为39.4m，具有多孔结构，提供了足够的开放通道，利于高效率地渗透电解质，形成三维离子导电网络。充放电测试结果显示：S@CoS2/rGO样品在0.1C倍率的第1、5、20和50次的充放电比容量分别为1766/1684mAhg-1，1526/