锂硫电池硫镍一体化正极的制备及电化学性能研究

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1、学校代码10530学号201110081282分类号TM911密级公开硕士学位论文锂硫电池硫镍一体化正极的制备及电化学性能研究学位申请人朱经涛指导教师潘勇教授学院名称材料与光电物理学院学科专业材料科学与工程研究方向新型能源材料与器件二○一四年六月万方数据PreparationandElectrochemicalPerformancesofS-NiIntegralCathodeforLithiumSulfurBatteriesCandidateZhuJingtaoSupervisorsProfessorPanYongCollegeFacultyofMaterials,Optoe

2、lectronicsandPhysicsProgramMaterialScience&EngineeringSpecializationMaterialandDevicesofNewEnergyDegreeMasterofEngineeringUniversityXiangtanUniversityDateJune,2014万方数据湘潭大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方

3、式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日万方数据摘要锂硫电池被认为是最具开发潜力的电池体系之一，理论能量密度高达2600Wh/kg。单质硫是目前已知比容量最高的正极材料(理论比容量为1675mA

4、h/g)，而且硫在自然界中储量丰富，成本低廉，同时具有低毒性，环境友好。但是硫正极在应用中存在着致命的缺点：单质硫不导电以及电化学反应过程中放电产物溶于电解液，导致活性物质利用率低、电极循环稳定性差，严重制约了锂硫电池的发展。本论文在充分调研的基础上，以具有高导电性、高比表面积的泡沫镍为基体与硫复合，对硫镍一体化正极的制备及性能的优化展开了系统的研究。本学位论文的创新性研究成果如下：(1)采用热蒸法将硫包覆到泡沫镍基体的多孔结构中，制备硫镍正极材料。通过SEM、XRD对材料进行结构及成分表征，通过模拟电池的组装进行电化学性能测试。结果表明，正极的三维网络结构保持良好，活性物质

5、分布均匀，且以硫镍化合物的形式存在。在前20次循环内，电池内部电化学反应良好，但是随着循环次数的进一步增加，活性物质会从基体剥离，造成正极结构损伤，容量衰减，库伦效率偏低。(2)为了稳固正极结构，并发挥单质硫理论比容量高的优势，采用化学法制备硫镍正极材料。结果表明，活性物质以单质硫的形式均匀包覆在泡沫镍骨架表面，且有少量大颗粒状硫附于表层。其首次放比电容量较高，具有典型的充放电平台，库伦效率接近100%，经100次循环后容量保持率为75%。但是表层大颗粒硫的脱落会造成循环使用过程中容量的波动，不利于实际应用。(3)对化学法制备硫镍正极材料进行后续熔硫处理，目的在于消除表层大颗

6、粒硫对循环性能的影响。结果表明，活性物质硫高度分散在基体的多孔结构中，增加了电化学反应过程中微反应场所，有效抑制放电产物溶解，循环可逆性好。经不同的倍率充放电循环110次后容量保持率高达95%。而且随着循环的进行，电极的界面阻抗及锂离子扩散阻抗均明显下降。综上所述，本论文以传统集流体材料泡沫镍为基体制备的硫镍正极材料，即硫镍一体化正极，可以直接用于电池装配，无需添加粘结剂、导电剂和分散溶剂进行制浆、涂布，工艺简单。化学-熔硫法制备的一体化正极具有高比表面积的稳定结构，极大提高了活性物质的利用率，可以有效抑制多硫化物的溶解，电化学反应可逆性良好，为锂硫电池新型正极材料的设计提供

7、了实验依据。关键词：锂硫电池；正极材料；单质硫；泡沫镍；一体化I万方数据AbstractThetheoreticalspecificenergyofLi-Sbatteryisashighas2600Wh/kg,andLi-Sbatteryisconsideredtobeoneofthemostdevelopmentpotentialofthebatterysystem.Asacathodematerialofthehighestspecificcapacityknownatpresent,thetheo