功能化碳材料的設(shè)計(jì)、制備及其在鋰硫電池中的應(yīng)用.pdf

1、鋰硫電池超高的理論比容量(1675 mAh g-1)和比能量(2500 wh.kg-1)滿足了人們對(duì)開發(fā)新一代化學(xué)儲(chǔ)能器件的迫切要求，此外，作為活性物質(zhì)的硫單質(zhì)還具備儲(chǔ)量豐富，低毒無害的優(yōu)點(diǎn)，因此，它被認(rèn)為是最具潛力的二次電池體系之一。然而在現(xiàn)階段，鋰硫電池的商業(yè)化應(yīng)用依然受到一些尚未克服的難題的困擾，如硫單質(zhì)及放電產(chǎn)物硫化鋰的電子絕緣性，長鏈多硫化鋰溶入電解液從而引發(fā)的“穿梭效應(yīng)”以及充放電過程中正極的體積膨脹所造成的結(jié)構(gòu)塌陷等問題導(dǎo)

2、致鋰硫電池比容量低，循環(huán)壽命短，嚴(yán)重制約著它的實(shí)際應(yīng)用。
　　針對(duì)上述問題，本文從鋰硫電池正極材料的設(shè)計(jì)方面開展相關(guān)工作，制備了多種結(jié)構(gòu)及組成的功能化碳并用作硫的載體，測試與分析了相關(guān)硫/碳復(fù)合材料的電池性能。主要研究工作如下:
　　(1)在氬氣氛圍下高溫煅燒Te/C納米材料，制備了一種微孔/介孔并存的碳管(HMMCNT)，由于該碳管管壁具備豐富的微孔和內(nèi)部的空腔結(jié)構(gòu)，將其作為硫的載體;利用BET， XPS等表征分析，證實(shí)了

3、HMMCNT微孔中含有少量小分子硫，通過對(duì)比HMMCNT-S-50電極材料在不同的電壓窗口測試條件下所得比容量的高低，初步驗(yàn)證了當(dāng)復(fù)合材料中S8分子，小硫分子S2-4和電解液中硝酸鋰共存的情況下，通過優(yōu)化電壓窗口來提高HMMCNT-S電極材料容量的可行性;另外，在1.4-2.8V的電壓窗口下，測試并分析了當(dāng)硫負(fù)載量為40％和50％時(shí)，HMMCNT-S電極的循環(huán)性能和倍率性能。
　　(2)采用磷酸二氫銨作為氮源和磷源，將除掉Te納米

4、線后的碳管與磷酸二氫銨混合均勻后，通過在氬氣氛圍下高溫煅燒使氮、磷元素滲入碳的骨架中，從而制備了一種氮、磷雙原子摻雜的多孔碳管(NPPCNT)并利用吸附試驗(yàn)和XPS分析證明NPPCNT材料也可以化學(xué)吸附多硫化鋰;另外，將NPPCNT和未經(jīng)過氮磷摻雜的多孔碳管(PCNT)與硫復(fù)合共熱后，在含硫量60％的情況下測試并比較了兩者的電化學(xué)性能，并以此討論了NPPCNT作為硫載體材料的優(yōu)點(diǎn)和不足。
　　(3)通過水熱反應(yīng)在多孔碳管(PCNT

5、)上原位生長了納米CoCO3顆粒，將其與硫復(fù)合后，所得的PCNT@CoCO3/S-60電極材料展示了優(yōu)良的循環(huán)穩(wěn)定性;另外，將PCNT@CoCO3復(fù)合材料作為涂層材料修飾隔膜后與NPPCNT/S-60正極組裝電池，在500 mAg-1電流密度下循環(huán)150圈，可逆比容量維持在889 mAhg-1，通過對(duì)比在相同電流密度下采用PCNT涂層的電池性能，初步探討了碳酸鈷顆粒用于提高鋰硫電池電化學(xué)性能的可行性及存在的不足。
　　(4)從工業(yè)

6、化的角度出發(fā)，采用廉價(jià)的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和葡萄糖為原料，通過水熱反應(yīng)和高溫煅燒等方法成功制備了一類氮氧雙原子摻雜的無孔碳材料(NONPCMs)，將其用作硫的載體;在不同的硫負(fù)載量下，相關(guān)NONPCM/S電極材料都展示了優(yōu)良的循環(huán)穩(wěn)定性能，結(jié)合理論計(jì)算和吸附試驗(yàn)，證實(shí)了當(dāng)不存在物理吸附的情況下，僅依靠載體表面雜原子化學(xué)束縛多硫化鋰的可行性;另外，利用大體積的反應(yīng)釜，實(shí)現(xiàn)了公斤級(jí)NONPCM-K前驅(qū)體的制備并且相關(guān)NONPCM-K/