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锂硫电池正极材料硫碳薄膜的制备研究

作　者: 张行
导　师: 王传新
学　校: 武汉工程大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 单质硫热丝化学气相沉积锂二次电池活性炭复合材料电解液
分类号: TM912.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

以单质硫作为正极材料的锂硫电池体系具有极高的理论比容量和比能量,价格低廉,对环境污染小等优点,近些年来受到了广泛的关注,是下一代锂电池中最具竞争力的正极材料之一。但是由于单质硫的绝缘特性和其放电产物在有机电解液中的高溶解性,阻碍了锂硫电池的商品化进程。已有研究表明通过硫碳复合的方法能够有效的改善硫电极的性能,这是由于碳材料的高比表面积和吸附性能能够抑制放电产物的溶解和改善硫电极的导电性,从而提高活性物质的利用率和电池的循环性能。本论文中分别采用加热处理法和热丝化学气相沉积(HFCVD)法制备了硫碳正极材料。通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪(EDAX)、X射线衍射仪(XRD)等测试方法对所制备的正极材料的结构和成分进行了分析,并通过充放电测试、循环性能测试和循环伏安法对所制备的各种正极材料进行了电化学性能测试。采用加热处理法将单质硫嵌入到活性碳的微孔结构中,制备了活性炭/单质硫复合材料。测试表明53wt%硫含量的复合材料具有较好的电化学性能。首次放电比容量高达953mAh/g,达到理论值的57%左右。经过20次循环以后比容量维持在615mAh/g,容量保持率为64%,平均每次循环衰减为17mAh/g左右,表现出较好的循环性能。在此基础上,利用HFCVD法首先在集流体上制备出一层具有纳米尺度的纤维网络状结构非晶碳膜,然后通过加热渗硫的方法制备出了硫碳正极薄膜材料。电化学测试表明相对于加热处理法,HFCVD法制备的正极复合材料的电极极化较弱,活性物质利用率高,可逆性好。其充放电性能和循环性能均优于加热处理法制备的正极复合材料。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-21
  1.1 引言  9-10
  1.2 金属锂负极  10-11
  1.3 电解质  11-14
    1.3.1 非水液体电解质  11-12
    1.3.2 聚合物电解质  12-14
  1.4 含硫正极材料  14-19
    1.4.1 单质硫/碳复合材料  14-15
    1.4.2 有机硫化物  15-17
    1.4.3 有机多硫化物  17-18
    1.4.4 碳硫聚合物  18-19
  1.5 本课题的目的和意义  19-21
第2章实验仪器和方法  21-27
  2.1 实验试剂  21
  2.2 实验仪器  21-22
  2.3 实验方法及测试手段  22-26
    2.3.1 锂负极的表面修饰  22-23
    2.3.2 电极的制备  23-24
    2.3.3 电池的装配  24-25
    2.3.4 分析测试  25-26
  2.4 本章小结  26-27
第3章加热法制备硫碳复合材料的制备及电化学性能研究  27-37
  3.1 引言  27
  3.2 实验部分  27-28
    3.2.1 单质硫/活性炭正极材料的制备方法  27
    3.2.2 模拟电池的组装  27-28
    3.2.3 模拟电池的电化学性能测试  28
  3.3 实验结果及讨论  28-35
    3.3.1 单质硫/活性炭复合材料的结构表征  28-29
    3.3.2 单质硫/活性炭复合材料的电化学性能测试  29-32
    3.3.3 53wt%硫含量复合材料的电化学性能测试  32-35
  3.4 不同粘结剂对单质硫活性炭复合材料循环性能的影响  35-36
  3.5 本章小结  36-37
第4章热丝化学气相沉积法制备硫碳复合材料及电化学性能研究  37-53
  4.1 引言  37-38
  4.2 热丝化学气相沉积（HFCVD）法制备含硫薄膜电极  38-42
    4.2.1 试样预处理  39
    4.2.2 热丝的碳化  39-40
    4.2.3 高比表面非晶碳膜的制备  40
    4.2.4 工艺参数对非晶碳膜形貌的影响  40-42
  4.3 渗硫  42-44
  4.4 模拟电池的组装  44
  4.5 电化学性能测试  44-49
    4.5.1 充放电性能测试  44-45
    4.5.2 循环伏安性能测试  45-47
    4.5.3 大电流放电性能测试  47-49
  4.6 电池失效机理分析  49-51
  4.7 本章小结  51-53
第5章总结  53-55
参考文献  55-61
攻读硕士学位期间发表的文章和申请的专利  61-62
致谢  62

锂硫电池正极材料硫碳薄膜的制备研究

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