以明胶为粘合剂新型锂—硫电池多孔正极的制备与性能研究

论文摘要

单质硫因具有能量密度高、资源丰富和环境友好等宝贵特性,已成为下一代锂电池中最有发展前景的正极材料。但其存在正极活性物质利用率低、循环性能差等问题,限制了锂-硫二次电池的实际应用。本论文从正极粘合剂的选择和正极结构的设计出发,研究了以明胶为粘合剂多孔电极的制备及其电化学性能,为提高锂-硫二次电池的性能开辟了新的研究空间。首先,本论文首次将大分子蛋白质-明胶（Gelatin）作为粘合剂引入锂-硫二次电池正极,制备出了分布均匀的单质硫正极,并以锂为负极、1MLiClO4/DME+DOL （V/V=1/1）为电解液组装成电池,考察了其电化学性能。研究结果表明,明胶-硫正极的首次放电性能和循环性能均优于通用的聚环氧乙烷-硫正极,取得了首次放容量为1132mAh g-1,50个循环后依然有408mAh g-1容量剩余的良好效果。明胶粘合剂实现了粘合力强、分散性好和不易被电解液溶涨的多种功能,进而保持了电极结构的稳定。其次,通过对单质硫正极充放电过程不同阶段产物成分的研究得出：与聚环氧乙烷（PEO）相比,明胶粘合剂可提高单质硫正极氧化还原可逆性的重要结论。首次放电过程中,单质硫的还原反应速率被减缓,且在充电过程中部分电极还原产物能够被重新氧化为S8,从而提高了单质硫正极的首放容量和循环性能。这一结果未见文献报道。最后,开创性地设计了一种新型多孔结构的单质硫正极,并以明胶为粘合剂通过冷冻真空干燥法首次制备出含孔径为200～500m的多孔明胶-硫正极。其多孔结构的存在为电解液的深层浸润提供了良好的通道,有助于促进离子和电子的传导。电化学测试表明了多孔结构可以改善单质硫正极的电化学性能,该电极表现出较高的首放容量（1235mAh g-1）和良好的循环性能（50个循环后,有626mAh g-1的容量剩余）,这明显优于传统的致密结构单质硫正极。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 锂-硫电池发展概述
• 1.2 单质硫正极的研究进展
• 1.2.1 单质硫的基本性质
• 1.2.2 单质硫正极制备工艺的研究
• 1.2.3 锂-硫电池充放电机理的研究
• 1.3 锂-硫电池粘合剂的研究现状
• 1.3.1 粘合剂结构与性能的关系
• 1.3.2 常用的锂-硫电池粘合剂
• 1.4 明胶
• 1.4.1 明胶概述
• 1.4.2 明胶作为粘合剂的应用
• 1.5 多孔电极的研究
• 1.5.1 多孔电极的特点
• 1.5.2 多孔电极行为
• 1.6 论文选题的目的及主要研究内容
• 第二章 实验及分析表征
• 2.1 实验原料
• 2.2 实验仪器
• 2.3 正极的制备及表征
• 2.3.1 单质硫正极的制备
• 2.3.1.1 明胶-硫正极的制备
• 2.3.1.2 聚环氧乙烷-硫正极的制备
• 2.3.1.3 多孔结构硫正极的制备
• 2.3.2 硫正极性能的表征
• 2.3.2.1 扫描电子显微镜测试
• 2.3.2.2 X射线衍射测试
• 2.3.2.3 差示扫描量热法测试
• 2.4 扣式电池的制备及电化学性能的表征
• 2.4.1 扣式电池的制备
• 2.4.2 电化学性能的表征
• 2.4.2.1 充放电测试
• 2.4.2.2 循环伏安测试
• 2.4.2.3 交流阻抗测试
• 第三章 以明胶为粘合剂单质硫正极的制备及其性能研究
• 3.1 前言
• 3.2 明胶-硫正极制备工艺的研究
• 3.3 明胶-硫正极的XRD分析
• 3.4 明胶-硫正极稳定性分析
• 3.5 明胶-硫正极电化学性能的研究
• 3.5.1 循环伏安性能
• 3.5.2 倍率放电性能
• 3.5.3 循环性能
• 3.5.4 交流阻抗性能
• 3.6 本章小结
• 第四章 以明胶为粘合剂的锂-硫电池充放电机理研究
• 4.1 前言
• 4.2 明胶-硫正极充放电过程的研究
• 4.2.1 首次放电过程的研究
• 4.2.2 充放电过程的研究
• 4.2.3 充放电机理的探讨
• 4.3 本章小结
• 第五章 多孔结构单质硫正极的制备及其性能研究
• 5.1 前言
• 5.2 多孔结构明胶-硫正极的设计
• 5.3 多孔结构明胶-硫正极表面形貌分析
• 5.4 多孔结构明胶-硫正极电化学性能的研究
• 5.4.1 循环伏安性能
• 5.4.2 循环性能与倍率性能
• 5.4.3 交流阻抗性能
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 附图
• 研究成果及发表的学术论文
• 致谢
• 导师简介
• 作者简介
• 附件