二次锂电池单质硫复合正极材料的制备及电化学性能研究

论文摘要

该研究论文首先较为详细地综述了锂二次电池用硫系正极材料的研究现状和实际应用情况,选择了比容量最高的单质硫作为研究方向,考察了单质硫正极材料的商业现状,技术现状,硫系材料的发展趋势以及各种方法制备出的硫系正极材料的优势与缺点。单质硫因具有很高的能量密度、丰富的自然资源和环境友好等多种优势,成为下一代锂电池中最有发展前景的正极材料之一。但是单质硫及其放电产物导电性差,易溶于有机溶剂,使得锂-硫电池正极活性物质利用率低、循环性能差等。针对以上问题,本文设计并制备了以下三大类复合正极材料,一种是导电聚合物/硫复合材料;一种是纳米多孔导电材料/硫复合材料;另一种是纳米催化活性材料/硫复合材料。并采用H-NMR谱、FTIR光谱、XRD、元素分析、DSC和SEM等手段比较系统地对复合材料进行了表征。探索其作为锂电池正极材料的可行性。并分别把以上三大类复合材料做成正极与液态电解质或凝胶态电解质组装成金属锂电池。以充放电技术研究了不同类别复合正极的充放电性能;以扫描电镜技术观测了复合正极的表面形貌;以循环伏安技术和交流阻抗技术研究了复合正极电极的电化学性能;并初步探讨了锂-硫电池体系中充电过程、放电过程、充放电效率、自热和自放电等对体系飞梭常数的影响,推导了这些过程的机理并简要的进行了分析。采用聚氯乙烯与单质硫在一定的温度下加热处理,在熔融状态下的单质硫作为良好的脱氢氧化试剂,使聚氯乙烯主链脱氢形成具有共轭电子的导电聚合物。同时反应体系中剩下的单质硫几乎是在熔融状态下与聚乙炔相接触,冷却后形成本文所设计的聚乙炔/硫复合材料。研究发现硫与导电物质的物理分散方法对硫系材料的电化学性能有较大的影响。前处理方法对硫与聚合物的反应有较大的影响,好的前处理方法可使材料的反应能力增强。用溶液混合的方法可以使硫与聚合物分散的更好,反应变得更加容易。溶液混合是比较好的前处理方法。硫系复合材料的改性不仅可以从物理或化学的方向考虑,还可以将两种方法结合起来应用。将单质硫镶嵌入具有纳米级孔或微孔的多孔材料之中。采用分阶段加热处理的办法,将熔融状态的单质硫渗透入活性炭和多壁碳纳米管的纳米级孔或微孔之中,形成纳米级复合材料。研究发现:一方面多壁碳纳米管或活性炭具有很强的吸附能力,有效地抑制了单质硫及其放电产物不可逆的溶解到

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪 论
• 1.1 课题背景
• 1.2 硫系正极材料的研究现状
• 1.2.1 无机硫化物
• 1.2.2 有机二硫化物
• 1.2.3 聚有机二硫化物
• 1.2.4 有机多硫化物
• 1.2.5 聚硫代化物
• 1.2.6 碳-硫聚合物
• 1.2.7 单质硫
• 1.3 金属锂电极的研究现状
• 1.4 聚合物电解质的研究现状
• 1.4.1 固态聚合物电解质
• 1.4.2 凝胶态聚合物电解质
• 1.4.3 微孔型聚合物电解质
• 1.5 本论文研究的目和主要内容
• 第2章 实验仪器和方法
• 2.1 实验试剂
• 2.2 实验仪器
• 2.3 扣式电池的制备
• 2.4 三电极模拟电池的组装
• 2.5 正极的制备
• 2.5.1 正极膏的制备
• 2.5.2 集流体的预处理
• 2.5.3 涂膏
• 2.5.4 冲极片
• 2.6 胶态聚合物电解质膜的制备
• 2.6.1 溶液的配制
• 2.6.2 聚合物电解质膜的制备
• 2.6.3 聚合物电解质膜性能测试
• 2.7 锂负极的表面修饰
• 2.7.1 锂负极的制备
• 2.7.2 锂负极的表面修饰
• 2.8 电池的装配
• 2.9 正极材料的表征方法及技术
• 2.9.1 物理性能的表征
• 2.9.2 电化学性能的表征
• 第3章 单质硫复合材料的制备及表征
• 3.1 引言
• 3.2 单质硫的基本性质
• 3.3 正极材料热复合反应温度的控制
• 3.4 单质硫-导电聚合物复合材料
• 3.4.1 SPVj 复合材料的制备
• 3.4.2 SPVr 复合材料的制备
• 3.4.3 硫与PVC 的红外分析
• 3.4.4 元素分析
• 3.4.5 NMR 分析
• 3.5 单质硫-活性碳复合材料
• 3.5.1 活性碳的基本性质
• 3.5.2 单质硫-活性碳复合正极材料的制备
• 3.5.3 XRD 测试
• 3.5.4 SEM 测试
• 3.5.5 BET 测试
• 3.6 单质硫-多壁碳纳米管复合材料
• 3.6.1 正极活性材料的制备
• 3.6.2 BET 测试
• 3.6.3 孔径测试
• 3.6.4 SEM 测试
• 3.7 单质硫-氧化镧复合材料
• 2O₃ 的制备'>3.7.1 纳米 La₂O₃的制备
• 20₃ 的比表面积测试'>3.7.2 纳米La₂0₃的比表面积测试
• 20₃ 的XRD'>3.7.3 纳米La₂0₃的XRD
• 20₃ 复合电极材料XRD'>3.7.4 单质硫-纳米La₂0₃复合电极材料XRD
• 20₃ 的孔容积测试'>3.7.5 纳米La₂0₃的孔容积测试
• 20₃ 的SEM'>3.7.6 纳米La₂0₃的SEM
• 20₃ 复合电极材料SEM'>3.7.7 单质硫-纳米La₂0₃复合电极材料SEM
• 3.8 本章小结
• 第4章 单质硫复合材料的电化学性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 正极复合材料电化学性能测试与结果讨论
• 4.2.1 含硫PVC 系复合材料
• 4.2.2 含硫低表面活性碳系复合材料
• 4.2.3 含硫高比表面活性碳系复合材料
• 4.2.4 含硫多壁碳纳米管系复合材料
• 4.2.5 含硫氧化镧系复合材料
• 4.3 本章小结
• 第5章 锂-硫电池体系中飞梭机理的研究
• 5.1 引言
• 5.2 室温下锂-硫电池的放电曲线
• 5.3 充电过程和飞梭方程
• 5.4 充电过程和充电飞梭因子
• 5.5 总能量和过充保护
• 5.6 放电能量和放电电流
• 5.7 飞梭现象和电池的自热
• 5.8 飞梭现象和电池的自放电
• 5.9 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所发表的学术论文
• 哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声
• 哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书
• 哈尔滨工业大学博士学位涉密论文管理
• 致谢
• 附录本论文中缩写词总汇
• 个人简历