基于碳纳米结构的锂硫正极材料设计及性能研究-文献详情-维普官网

文献检索

任意字段

文献信息

任意字段
主题词
篇关摘
篇名
关键词
摘要
作者
第一作者
作者单位
刊名
中图分类号
学科分类号
DOI
基金

智能检索

高级检索

检索历史

基于碳纳米结构的锂硫正极材料设计及性能研究认领

被引量： 1

作者：

李文达

学位授予单位：

青岛科技大学

摘要：

锂硫电池作为最有前途的下一代储能系统之一。多硫化锂的溶解所引起的穿梭效应和充电放电过程中缓慢的氧化还原反应动力学显著降低了锂硫电池的循环寿命和硫的利用率,进而限制了它在商业中的应用。为了克服硫正极固有的问题,人们付出了巨大的努力开发新型硫复合材料并取得了一定的进展。然而,进行有效的构建高导电和高催化特性的固硫载体仍然是一个挑战。本文主要围绕着基于碳纳米结构开发廉价高效的催化剂、构建合理稳定的载硫结构和设计具有高效协同作用的组分等方面进行研究以提高锂硫电池的电化学性能,同时对锂硫电池的吸附-催化协同机理进行了阐述,另外通过理论计算和非原位X-射线光电子能谱等手段深入理解催化剂对多硫化物的作用机制。具体研究内容及结果如下:（1）基于氮掺杂碳纳米片负载FeS2纳米颗粒的锂硫电池正极性能研究。针对锂硫电池中硫利用率低和多硫化物溶解等问题,我们提出了利用高电子导电的氮掺杂碳纳米片和廉价的无机FeS2纳米颗粒复合的策略。实验结果表明FeS2对多硫化锂不但具有很强的吸附能力,而且能够催化多硫化锂的转化。同时,理论计算进一步揭示了FeS2对多硫化锂具有很强的吸附能力。我们揭示了FeS2的存在有利于放电产物Li2S的均匀沉积并提出了活性物质在FeS2、碳纳米片和电解液的三相界面的固-液-固转化机制。将NCNs/FeS2复合材料应用于锂硫电池正极中,其表现出优异的倍率特性和循环性能。当硫载量为2.03 mg cm-2时,循环100次后仍保持有745.6 mAh g-1的比容量。（2）碳限域合成中空碳球负载富硫缺陷MoS2+x复合材料及其锂硫电池正极性能研究。针对高能量密度锂硫电池正极在充放电过程中体积变化大和多硫化物溶解等问题,我们提出了纳米空心结构结合双功能层包覆的设计思路:以聚苯乙烯球（PS）为模板,采用原位硫化方法制备了碳空心纳米球-富硫缺陷二硫化钼双壳微纳结构材料(HCNs@c-MoS2+x)。其空心结构不仅能有效地缓冲硫在充放电过程中产生的体积变化,而且还能物理阻隔多硫化物进入电解液中以抑制穿梭效应。实验证实碳限域合成的二硫化钼纳米片具有宽的层间距和丰富的硫原子桥接缺陷。另外,MoS2+x纳米片的活性边缘位点显著增强了对可溶性多硫化物的吸附锚定,同时加速其催化转化动力学和再利用,进而极大提高了锂硫电池的倍率和循环性能。在1.0 C的电流密度下,S/HCNs@c-MoS2+x电极载硫量为3.8 mg cm-2时,循环140次后仍保持有802mAh g-1。（3）原位构筑氮掺杂碳包覆硫化锌/硫化铁异质结构及其锂硫电池正极性能研究。针对锂硫电池中多硫化物的缓慢的转化动力学以及穿梭效应等问题,我们设计了在纳米空心结构的基础上结合具有大的能带差异的异质结作为高效协同的组分来提升锂硫电池的电化学性质的方案。将乙酰丙酮铁分子限域于金属有机框架材料（ZIF-8）孔道构建稳定的双元（Zn/Fe）前驱体,通过单宁酸刻蚀和原位硫化制备了空心氮掺杂碳包覆硫化锌/硫化铁异质结构（ZnS-FeS/NC）,理论计算和动力学分析揭示了ZnS-FeS异质结构拥有优异的电子/离子传导能力并能有效增强多硫化物吸附和催化转化,显著提升了硫的利用率。非原位阻抗等测试揭示了异质结构显著提升了界面处多硫化锂的液-固-液转化动力学。在0.2 C的电流密度下和3.34 mg cm-2的高硫负载下,S@ZnS-FeS/NC电极在循环200次后仍展现出3.57 mAh cm-2的高放电面容量。

摘要译文

关键词：

锂硫电池; 碳纳米结构; 多硫化物; 化学吸附

学位年度：

2020

学位类型：

硕士

学科专业：

材料科学与工程

导师：

李桂村

中图分类号：

TM912[蓄电池⑨]

学科分类号：

080709[储能科学与工程];080809[新能源发电与电能存储]

D O I：

10.27264/d.cnki.gqdhc.2020.000119