包覆型硫正极材料与功能化隔层制备对锂硫电池电化学性能的影响研究

《包覆型硫正极材料与功能化隔层制备对锂硫电池电化学性能的影响研究》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、西北工业大学博士学位论文(学位研究生)题目：包覆型硫正极材料与功能化隔层制备对锂硫电池电化学性能的影响研究作者：吴海伟学科专业：材料学指导教师：黄英教授2017年3月Title:AStudyonSynthesisofEncapsulatedSulfurCathodesandFunctionalizedInterlayerforLithium-SulfurBatteriesByWuHaiweiUndertheSupervisionofProfessorHuangYingADissertationSubmittedtoNorthw

2、esternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofMaterialScienceXi’anP.R.ChinaMarch2017摘要摘要锂硫电池被认为是未来最具商用潜力的的二次电池体系之一，其理论能量密度可达2600Wh/kg，是目前商业化锂离子电池的6倍以上。锂硫电池的活性物质为单质硫，其在自然界储量丰富、开采便利、环境友好，是一种极具潜力的正极材料。但是，锂硫电池仍存在单质硫及其放电产物导电性差、多硫化

3、物溶解形成穿梭效应、硫正极在循环过程中容易发生体积变化等缺点，这些缺点导致硫正极的活性物质利用率差以及循环衰减过快，因而锂硫电池一直难以商业化应用。针对上述问题，本文以提升锂硫电池电化学性能与揭示其电化学行为机制为主要目的，围绕包覆型硫正极材料制备以及锂硫电池功能化隔层设计两个方面开展工作，主要研究内容如下：1.采用静电自组装方法制备了氧化石墨烯包覆硫粒子复合正极材料。制备的氧化石墨烯/硫(GO/S)复合材料呈核壳结构，氧化石墨烯的包覆作用使材料拥有较好的电化学可逆性。GO/S正极在0.1C下，200次循环后的比容量仍保持在-

4、1500mAhg左右，远高于纯硫正极材料。但是，GO/S复合材料的放电比容量同时受GO与硫粒子极低的电导率制约，在0.2C、0.5C和1C等大电流放电倍率下-1的可逆比容量均难以超过400mAhg，显示出极低的活性物质利用率。2.在化学还原沉积硫的过程中，通过缩短反应时间制备了纳米硫粒子。将其与氧化石墨烯通过静电自组装，再用HI还原制得自堆积的三维石墨烯/硫(RGO/S)复合正极材料。在RGO/S材料中，硫被包覆在RGO的片层之间，RGO提供的三维网状导电网络有利于改善电池的电化学反应动力学。RGO/S电极在2-10.5mA/

5、cm(0.39C)下的可逆比容量维持在720.0mAhg左右，比容量保持率高2达83.2%。同时，RGO/S电极的倍率性能良好，在1mA/cm(0.78C)放电电流下，-1比容量仍可保持在640mAhg左右。3.通过KOH活化、化学还原沉积、热浸渗以及聚苯胺包覆分别制备了Ksp/S、Ksp/S-159与Ksp/S-159/PANI三种含硫复合正极材料。结合材料的微观结构与电化学性能分析得知，热处理浸渗与聚苯胺的包覆均有利于电极电化学可逆性的改善。在低电流放电密度下，Ksp/S-159/PANI可以更好的发挥其包覆结构的优势，P

6、ANI层可有效抑制多硫化物的溶解穿梭，Ksp/S-159/PANI电极经100次充放电-1循环后的可逆比容量仍维持在954.0mAhg左右。在高放电电流密度下，Ksp/S-159电极表现出更好的电化学性能，经500次充放电循环，比容量仍保持-1在409.2mAhg。4.以尿素为碳源、钴为催化剂，通过高温热解法制备了三维石墨烯@碳纳米管复合材料，将G@CNTs涂覆于锂硫电池所用PP隔膜上，形成了一种阻挡多硫化物迁移的功能化隔层。利用硫正极载体材料的孔隙结构以及G@CNTs隔层I西北工业大学博士学位论文对多硫化锂的协同束缚作用，锂

7、硫电池的电化学性能得到改善，锂负极受到的腐2蚀作用得到缓解。添加G@CNTs隔层的Ksp/S电池在0.2C(0.47mA/cm)下，200-1次循环后的可逆比容量仍可达935.1mAhg，而未添加G@CNTs隔层的锂硫电-1池放电比容量仅在300mAhg左右。在高倍率放电电流下，该类型电池仍然保222持良好的循环比容量。在1C(2.35mA/cm)、2C(4.70mA/cm)以及4C(9.40mA/cm)-1-1放电电流密度下，200次循环后的比容量分别可达755.6mAhg、669.7mAhg-1以及555.1mAhg。5.

8、通过水热自组装、冷冻干燥以及高温热还原等步骤制备了一种自堆叠三维孔梯度分布的氮掺杂石墨烯材料——P0.4NG-1000。结合水热自组装反应中水热气体的“冲击”作用与吡咯自聚合产生的“粘合”作用，构建了三维石墨烯的孔梯度分布结构。P0.4NG-1000材料可以更好的对多硫化锂形