锂硫电池正极和锂离子电池负极材料的研究

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1、锂硫电池正极和锂离子电池负极材料的研究Investigationofelectrodematerialsforlithiumsulfurcathodeandlithiumionanode一级学科：化学工程与技术学科专业：应用化学作者姓名：刘肖燕指导教师：单忠强教授天津大学化工学院二零一七年五月万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过

2、的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：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天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日万方数据摘要锂二次电池作为一种电化学储能

3、系统，具有比能量高、无记忆效应、循环稳定性好的优点。随着新型清洁能源的开发和利用，特别是电动汽车的发展，对电池能量密度提出了更高的要求。因此，研究高比能量新型电极材料是锂电池的发展方向。本文分别对能量密度较高的锂硫电池硫正极和锂离子电池氧化物负极进行了系统的研究，以期得到性能优良的电极材料。本文将溶解了单质硫的四氢呋喃（THF）溶液与微孔碳材料混合，低温真空蒸发制备了微孔碳和硫复合的正极材料。有效提高电极的导电性、缓冲电极的体积膨胀、抑制可溶性多硫化锂在正负极间的穿梭。电极在1C下循环200次后容量为598.3mAh

4、g-1，倍率性能和循环稳定性良好。该方法在低温下进行，且溶剂可以回收重复利用，较为经济简便。通过喷雾干燥和化学气相沉积（CVD）两步法制备了3D介孔碳材料（MCCNT）。选取含氮有机物做为碳源，通过CVD在介孔碳球的外部原位生长氮掺杂的碳纳米管。MCCNT作为硫的载体，可以增强电极的导电性、缓冲电极体积膨胀、化学性吸附多硫化锂以抑制“穿梭效应”，因此电池性能得到提高。该电极可在1C下可稳定循环300次，容量仍保持在534.6mAhg-1。采用Nafion和γ-Al2O3制备成复合膜，对硫电极进行表面修饰。Nafion

5、可选择性的通过锂离子而抑制硫阴离子，γ-Al2O3则通过化学作用抑制多硫化锂移动。二者协同作用，使该复合膜在循环中有效抑制“穿梭效应”、减少活性物质的流失，从而提高电池的容量和寿命。添加1wt%γ-Al2O3时，修饰电极在1C下，首次放电比容量为1448.0mAhg-1，200次后仍保持在788.6mAhg-1，表现出良好的倍率和循环性能。采用还原性强的Fe(CO)5为铁源，添加含锂化合物，首次通过化学方法制备了原位石墨化碳包覆的锂铁复合氧化物负极材料（LFO）。LFO中预存的锂离子可在充放电中参与反应，弥补SEI膜

6、带来的不可逆损失。同时，碳包覆纳米的结构缓冲了材料的体积变化，利于电池稳定循环。LFO首次库伦效率为90%，在500mAg-1下循环400次后容量仍保持在700mAhg-1以上。将LFO与商品钴酸锂和锂锰镍正极匹配，制备成全电池，均表现出较高的容量和良好的稳定性。设计了一种两步煅烧路线，制备出具有核壳结构的LFO/石墨复合负极材料。LFO附着在导电性良好的石墨球表面，提高了电极的导电性，同时缓冲电极充放电过程中的体积变化。该复合材料在2Ag-1的大电流密度下，可稳定循环1000I万方数据次，比容量高达612.4mAh

7、g-1。与商品的钴酸锂组装成全电池，也表现出较高的比容量和稳定的循环性能。关键词：锂硫电池；多孔碳；硫正极；锂离子电池；负极材料；锂铁复合氧化物II万方数据ABSTRACTLithium-ionbatteries(LIBs)areoneofthemostsuccessfulrechargeablebatterysystemstodate,owingtothehighspecificenergy/energydensity,nomemoryeffect,andgoodcyclinglifespan.Withthedev

8、elopmentofgreenenergies,especiallythedevelopmentofelectricalveichles,highenergydensitystoragesystemisdesirable.Inthispaper,enhandedsulfurcathodeandlithiumironoxideanodearede