鋰硫電池正極生物碳-硫復(fù)合材料的制備及性能研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、單質(zhì)硫具有資源豐富、無毒、價廉等優(yōu)勢,能提供高達1675 mAh/g的理論容量,以硫和金屬鋰構(gòu)建的鋰硫電池體系能量密度高達2600 Wh/kg。但由于硫及其放電產(chǎn)物導(dǎo)電性差,中間產(chǎn)物多硫化鋰的溶解及體積膨脹等問題,導(dǎo)致電極的活性材料利用率低和循環(huán)性差,限制了其應(yīng)用。通過碳材料的引入可以獲得導(dǎo)電復(fù)合材料,抑制多硫化物的穿梭,從而實現(xiàn)硫正極材料的高效利用;從生物質(zhì)衍生而來的生物碳更具有簡單易得、價格低廉、便于規(guī)?;?、環(huán)保、資源可再生等優(yōu)點,

2、因此本文為以生物碳材料為主線,以制備電化學性能優(yōu)良的鋰硫電池硫碳復(fù)合正極材料為主旨,開展了以下研究:
  1.分別以稻殼、芒草、杉木、柚子皮和木屑五種生物質(zhì)為原料,利用高溫煅燒和混酸除雜處理得到生物碳材料,并對其進行結(jié)構(gòu)和形貌的表征。將所得生物碳用熱復(fù)合的方式進行載硫,合成硫含量為50%左右的生物碳/硫復(fù)合材料。電性能測試結(jié)果表明在硫含量和電流密度相同的情況下,稻殼生物碳/硫復(fù)合材料(DC/S)具有較高的比容量和較好的循環(huán)穩(wěn)定性,

3、這主要得益于其較高的比表面積。因此選擇稻殼生物碳為主要研究對象,分別對其進行了模板化和基團修飾處理,以期提高其電性能。
  2.以二氧化硅為模板,對稻殼生物碳進行改性,制備了多孔稻殼生物碳材料(HPDC)。SEM和TEM表明HPDC上存在大量的微孔結(jié)構(gòu),分布均勻,大小均一,直徑約為5 nm,孔與孔間間隔非常薄的碳壁。通過熱復(fù)合方法制備了一系列不同硫含量的HPDC/S復(fù)合材料,并對其進行結(jié)構(gòu)和電性能表征。結(jié)果表明,載硫量為60%時,

4、硫在碳基體上呈無定形態(tài)分布,且復(fù)合材料的電性能最佳,在0.2 C電流密度下首周放電容量高達1534.1 mAh/g,循環(huán)100周后仍能保持738.7 mAh/g的高容量。這主要歸功于HPDC基體,其碳骨架充當電子傳輸通道提高導(dǎo)電性;其多微孔結(jié)構(gòu)一方面為硫提供儲存空間,另一方面為鋰離子傳輸提供路徑,同時還能抑制多硫化鋰的溶解,緩解充放電過程中的體積效應(yīng),從而提高電性能。
  3.將稻殼生物碳在高溫下進行氫氧化鈉水熱處理,制備羥基化稻

5、殼生物碳材料(DC-OH)。紅外光譜和XPS測試表明DC-OH上存在羥基等官能團。用化學沉積的方法進行硫的負載,合成DC-OH/S復(fù)合材料,熱重測試表明材料的載硫量高達90.16%。DC-OH/S復(fù)合正極在0.2 C電流密度下首周放電容量為1388.1mAh/g,經(jīng)過100周循環(huán)后還有683.5 mAh/g的放電容量;在1C下也表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性,循環(huán)100周后還有625.1 mAh/g的放電容量,過充現(xiàn)象幾乎消失,庫倫效率也一直保

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