锂离子电池硫/碳基复合正极材料研究

论文摘要

高能量存储密度的锂离子电池是电动汽车、电动船舶动力系统以及可再生能源利用的储能系统的关键。以硫系材料作为正极活性物质的锂离子电池,因为高的理论比容量,高的理论比能量,原料丰富,价格低廉,环境友好,安全性高等优点而备受人们关注。但是硫系正极材料的低导电性以及与电解液的相容性等问题的存在致使其电化学循环性能很差,难以应用。本文主要通过复合与化合的方式,制备了以硫为活性中心的复合正极材料,通过改善其离子电子传输网络达到提高其电化学性能的目的。本文的主要研究工作包括：一,合成硫/碳复合材料；二,制备硫/聚丙烯腈以及硫/聚丙烯腈/碳复合材料,并系统研究制备工艺对其电化学性能的影响。以酚醛树脂,蔗糖,葡糖糖等不同的碳源为前躯体,通过水热合成的方法,制备了碳材料基体,研究了制备工艺对碳材料表面形貌的影响规律,并优化出了制备工艺。以酚醛树脂为碳源前躯体所制备的碳材料结果表明在活性剂PlurobicF-127使用量为1.28g,水热处理温度为130℃时,所制备的碳材料,颗粒尺寸分布均匀,呈规则的球状。采用溶液直接吸附法和低温熔融扩散法两种不同的复合方法成功制备了硫/碳复合正极材料,低温熔融扩散法制备的复合材料具有较为优异的电化学性能。而以蔗糖和葡萄糖为碳源前驱体制备的硫/碳复合材料由于载硫量低且大部分硫吸附于碳基体表面而表现出了较差的可逆性和循环性能。本文在碳基体制备的基础上,制备了PAN-S以及PAN-S/碳复合正极材料。系统研究了前驱物配比、电极配方以及充放电电流等条件对材料电化学性能的影响。随着导电剂的量增加,复合材料的循环性能和比容量均有所增加。在低电流密度下,材料则显示了相对良好的循环稳定性。其倍率性能需进一步提高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 锂离子电池的发展应用
• 1.2 锂离子的工作原理
• 1.3 锂离子电池正极材料
• 2'>1.3.1 LiCoO₂
• 2'>1.3.2 LiNiO₂
• 2O₄'>1.3.3 LiMn₂O₄
• 4'>1.3.4 LiFePO₄
• 1.4 硫系正极材料
• 1.4.1 单质硫正极材料
• 1.4.2 有机硫化物正极材料
• 1.4.3 无机硫化物正极材料
• 1.4.4 单质硫复合正极材料
• 1.5 本论文的研究内容和意义
• 第2章 实验
• 2.1 实验材料和仪器
• 2.2 电池制备与组装
• 2.2.1 电极的制备
• 2.2.2 电池装配
• 2.3 电极的表征方法
• 2.3.1 物理性能表征
• 2.3.2 电化学性能表征
• 第3章 以酚醛树脂为碳源的碳/硫复合正极材料的制备与研究
• 3.1 碳的制备
• 3.1.1 以酚醛树脂为前驱体碳材料的制备
• 3.1.2 碳材料的优化及物理表征
• 3.2 碳/硫复合材料
• 3.2.1 材料的制备
• 3.2.2 电极的制备和组装
• 3.2.3 溶液直接吸附法所得材料的电化学性能分析
• 3.2.4 低温熔融扩散法所得材料的电化学性能分析
• 3.3 小结
• 第4章 以蔗糖和葡萄糖分别为碳源前躯体的碳/硫复合正极材料的制备与研究
• 4.1 以蔗糖为碳源前躯体的硫/碳复合正极材料
• 4.1.1 以蔗糖为碳源其躯体的碳的制备
• 4.1.2 以蔗糖为碳源前躯体的硫/碳复合正极材料的制备
• 4.1.3 以蔗糖为碳源前躯体制备的碳材料的物理表征
• 4.1.4 以蔗糖为碳源前躯体制备的硫/碳基复合正极材料的电化学表征
• 4.2 以葡萄糖为碳源前躯体的硫/碳复合正极材料
• 4.2.1 以葡糖糖为碳源前躯体的碳的制备
• 4.2.2 以葡萄糖为碳源前躯体的硫/碳复合正极材料的制备
• 4.2.3 以葡萄糖为碳源前躯体的碳材料的物理表征
• 4.2.4 以葡萄糖为碳源前躯体的硫/碳复合正极材料的电化学表征
• 4.3 小结
• 第5章 PAN-S复合材料的制备与研究
• 5.1 硫纳米粒子与PAN复合电极的尝试与研究
• 5.1.1 硫纳米粒子及电极的制备与组装
• 5.1.2 电化学性能分析
• 5.2 PAN-S/碳复合电极材料
• 5.2.1 PAN-S/碳复合电极材料制备
• 5.2.2 PAN-S/碳复合电极材料物理性能表征
• 5.2.3 PAN-S/碳复合电极材料电化学性能表征
• 5.3 干粉法制备PAN-S的电极研究
• 5.3.1 PAN-S的干粉法制备过程
• 5.3.2 干粉法制备PAN-S的电极的物理性能表征
• 5.3.3 干粉法制备PAN-S的电极配比的研究
• 5.4 小结
• 第6章 总结
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间公开发表论文
• 致谢