论文部分内容阅读
Li-S电池体系可以提供的理论比容量高达1675 m Ah·g-1中,有希望在短期内发展成为新型的储能系统。然而,Li-S电池中聚硫分子的溶解扩散问题以及负极金属锂带来的安全问题限制了该体系的进一步发展应用。单质硫在充放电过程中转变为可溶性聚硫分子溶解到电解液中,造成电极内活性物质的损失以及电池容量的衰减;在充放电过程中负极金属锂表面会生成枝晶,造成电池容量衰减并伴有较大的安全隐患。本论文围绕聚硫分子的溶解扩散问题,研究了石墨烯、PVP分子以及氧化物Ti O2对聚硫分子的物理束缚与化学吸附作用;针对负极金属锂造成的安全问题,研究了Si基复合材料作为Li-ion-S电池中负极材料的可行性。(1)建立了一种电化学沉积制备硫复合电极的模型,实现了硫复合电极的形貌与结构调控;在1.25 V电压条件下电化学沉积,获得了硫球在碳纤维表面组装、叠加的复合结构;通过硫与石墨烯交替在石墨纸基板上沉积,制备了GS叠层复合电极;石墨烯层叠组合产生壁垒作用,限制聚硫分子的扩散,复合电极在200 m A·g-1的电流密度下经过50次充放电循环后,依然可以获得700 m Ah·g-1放电比容量。(2)通过电化学沉积GO溶液制备了石墨烯包覆硫复合电极结构,实现了含有丰富功能基团的石墨烯对硫电极的复合改性;石墨烯表面丰富的功能基团通过化学结合的方式吸附聚硫分子,提高了复合电极的电化学性能;GNS复合电极在2.0 A·g-1的大电流密度下进行充放电测试,经过150次循环后电池放电比容量依然可以保持在963 m Ah·g-1,具有72%的容量保持率。(3)构建了硫纳米颗粒连接PVP分子链的复合材料模型,PVP分子链表面丰富的酮类基团与聚硫分子之间产生化学结合,将其束缚在电极内部,相比于单质硫,S-PVP复合材料获得了优异的电化学稳定性;揭示了PVP与PPy的协同作用对复合材料电化学性能的影响规律;通过控制SDS表面活性剂的浓度与反应时间,实现了S-PVP复合材料的形貌与结构调控;S-PVP@PPy在200 m A·g-1的电流密度下,经过100次循环,复合材料的放电比容量可以达到763 m Ah·g-1。(4)提出了分级结构H-Ti O2作为载体夺回聚硫分子的研究思路,首先制备了分级结构的Ti O2微米球,在Li-S电池中起到了稳定电化学性能的作用;进一步通过Ar-H2气氛下热还原优化其成键环境与导电性,H-Ti O2与聚硫分子之间产生较强的化学键结合能力,可以有效地将聚硫分子从电解液中重新吸附到电极表面;Li-S电池电化学性能得到明显提高,在200 m A·g-1的电流密度下经过50次充放电后,其放电比容量为928.1 m Ah·g-1。(5)研究了包覆改性纳米Si复合材料作为负极材料在Li-ion-S电池中应用的可行性;利用SDS辅助化学镀方法制备了Ni均匀包覆纳米Si复合材料,优化了GO对纳米Si的包覆改性工艺,在Li-ion-S电池中分别具有700 m Ah·g-1与580 m Ah·g-1的可逆容量,对克服Li-S电池体系的安全问题具有重要意义。