鋰硫電池硫鎳一體化正極的制備及電化學(xué)性能研究.pdf

1、鋰硫電池被認(rèn)為是最具開(kāi)發(fā)潛力的電池體系之一，理論能量密度高達(dá)2600Wh/kg。單質(zhì)硫是目前已知比容量最高的正極材料(理論比容量為1675mAh/g)，而且硫在自然界中儲(chǔ)量豐富，成本低廉，同時(shí)具有低毒性，環(huán)境友好。但是硫正極在應(yīng)用中存在著致命的缺點(diǎn)：?jiǎn)钨|(zhì)硫不導(dǎo)電以及電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中放電產(chǎn)物溶于電解液，導(dǎo)致活性物質(zhì)利用率低、電極循環(huán)穩(wěn)定性差，嚴(yán)重制約了鋰硫電池的發(fā)展。本論文在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，以具有高導(dǎo)電性、高比表面積的泡沫鎳為基體與硫復(fù)

2、合，對(duì)硫鎳一體化正極的制備及性能的優(yōu)化展開(kāi)了系統(tǒng)的研究。本學(xué)位論文的創(chuàng)新性研究成果如下：
　　(1)采用熱蒸法將硫包覆到泡沫鎳基體的多孔結(jié)構(gòu)中，制備硫鎳正極材料。通過(guò)SEM、XRD對(duì)材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)及成分表征，通過(guò)模擬電池的組裝進(jìn)行電化學(xué)性能測(cè)試。結(jié)果表明，正極的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)保持良好，活性物質(zhì)分布均勻，且以硫鎳化合物的形式存在。在前20次循環(huán)內(nèi)，電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)良好，但是隨著循環(huán)次數(shù)的進(jìn)一步增加，活性物質(zhì)會(huì)從基體剝離，造成正極結(jié)構(gòu)損

3、傷，容量衰減，庫(kù)倫效率偏低。
　　(2)為了穩(wěn)固正極結(jié)構(gòu)，并發(fā)揮單質(zhì)硫理論比容量高的優(yōu)勢(shì)，采用化學(xué)法制備硫鎳正極材料。結(jié)果表明，活性物質(zhì)以單質(zhì)硫的形式均勻包覆在泡沫鎳骨架表面，且有少量大顆粒狀硫附于表層。其首次放比電容量較高，具有典型的充放電平臺(tái)，庫(kù)倫效率接近100％，經(jīng)100次循環(huán)后容量保持率為75%。但是表層大顆粒硫的脫落會(huì)造成循環(huán)使用過(guò)程中容量的波動(dòng)，不利于實(shí)際應(yīng)用。
　　(3)對(duì)化學(xué)法制備硫鎳正極材料進(jìn)行后續(xù)熔硫處理

4、，目的在于消除表層大顆粒硫?qū)ρh(huán)性能的影響。結(jié)果表明，活性物質(zhì)硫高度分散在基體的多孔結(jié)構(gòu)中，增加了電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中微反應(yīng)場(chǎng)所，有效抑制放電產(chǎn)物溶解，循環(huán)可逆性好。經(jīng)不同的倍率充放電循環(huán)110次后容量保持率高達(dá)95%。而且隨著循環(huán)的進(jìn)行，電極的界面阻抗及鋰離子擴(kuò)散阻抗均明顯下降。
　　綜上所述，本論文以傳統(tǒng)集流體材料泡沫鎳為基體制備的硫鎳正極材料，即硫鎳一體化正極，可以直接用于電池裝配，無(wú)需添加粘結(jié)劑、導(dǎo)電劑和分散溶劑進(jìn)行制漿、涂布