无序介孔碳/硫复合材料的制备及性能研究

论文摘要

锂硫电池以其高能量密度、低成本的优势，被认为是下一代最具潜力的高比能电池体系。然而单质硫却存在导电性差、充放电过程中结构稳定性差、还原产物易溶解的缺点，这严重降低了正极材料中硫利用率和容量保持率。本论文通过将硫与碳复合来克服硫导电性差、结构稳定性差的缺点，同时也可限制还原产物的溶解和扩散。采用纳米ZnO颗粒作为模板制备了孔径约为20nm的介孔碳，该碳与硫的复合材料的首次放电比容量为902.3mAh/g（相对于复合材料），循环50次之后容量保持率65%，均高于相应的单质硫电极。为了进一步提高正极材料的循环稳定性，对介孔碳/硫复合材料在循环过程中的作用原因进行了初步探索，结果表明硫的填充量过满，使介孔碳在提高循环性能方面的作用难以充分发挥。采用二次热处理及加入不同造孔剂等方法来改善介孔碳的性能。通过对介孔碳材料进行二次热处理有效地提高了介孔碳的石墨化程度和导电性,从而提高了碳/硫复合材料中硫的利用率，经1000℃二次热处理的介孔碳与硫的复合材料首次放电过程中硫的利用率为84%。通过加入造孔剂KHCO3，制备出一种分级多孔碳，该碳与硫的复合材料的首次放电比容量可达1066.6mAh/g（相对于复合材料），循环60次之后容量保持率为73%。碳/硫复合材料制备方面，对比了升华法、常规化学法两种复合方式，并对两种复合方式制备的材料分别在155℃下热处理。结果表明常规化学法制备的碳/硫复合材料中有较多的游离硫存在，硫的利用率及循环稳定性都较差；155℃热处理后两种复合材料的硫的利用率及容量保持率都有明显提高。又采用介孔碳孔内原位生成硫的方法制备出一种新的碳/硫复合材料，该材料硫的利用率及容量保持率都很突出，硫的首次利用率可达84%，循环50次之后容量保持率仍可达81%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 锂硫电池概述
• 1.2.1 锂硫电池的研究现状
• 1.2.2 锂硫电池的反应机理
• 1.3 锂硫电池正极材料的研究现状
• 1.3.1 单质硫
• 1.3.2 有机硫化物
• 1.3.3 硫/聚合物复合材料
• 1.3.4 硫/碳复合材料
• 1.4 本论文的主要研究内容
• 第2章 实验部分
• 2.1 实验药品和仪器设备
• 2.1.1 实验药品
• 2.1.2 仪器设备
• 2.2 材料的制备
• 2.2.1 介孔碳材料的制备
• 2.2.2 碳/硫复合材料的制备
• 2.3 电池的装配
• 2.3.1 正极极片的制备
• 2.3.2 扣式电池的装配
• 2.4 物理性能测试及表征
• 2.4.1 拉曼分析
• 2.4.2 X 射线粉末衍射分析
• 2.4.3 低温 N2吸附分析
• 2.4.4 扫描电子显微镜
• 2.4.5 透射电子显微镜
• 2.4.6 热重分析
• 2.4.7 元素分析
• 2.5 电性能测试
• 第3章 介孔碳材料的制备及复合材料性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验
• 3.2.1 介孔碳材料的制备
• 3.2.2 碳/硫复合材料的制备
• 3.2.3 材料性能表征
• 3.2.4 正极极片制备与测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 介孔碳材料的表征
• 3.3.2 碳/硫复合材料的表征
• 3.3.3 碳/硫复合材料电性能测试
• 3.3.4 介孔碳/硫复合材料容量衰减原因初步探索
• 3.4 本章小结
• 第4章 改性介孔碳及其复合材料的制备及性能测试
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.2.1 改性介孔碳材料的制备
• 4.2.2 碳/硫复合材料的制备
• 4.2.3 材料性能表征
• 4.2.4 正极极片制备与测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 介孔碳孔结构的改进及其对复合材料电性能的影响
• 4.3.2 介孔碳导电性的改进及其对复合材料电性能的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 碳/硫复合材料的制备方法及表征
• 5.1 引言
• 5.2 实验
• 5.2.1 碳/硫复合材料的制备
• 5.2.2 材料性能表征
• 5.2.3 正极极片制备与测试
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 升华法和常规化学法制备的碳/硫复合材料性能表征
• 5.3.2 原位化学法制备的碳/硫复合材料性能表征
• 5.3.3 不同方法制备的碳/硫复合材料电性能测试
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介