论文总字数：25597字

摘 要

现今社会，储能器件的性能要求随着移动便携设备和电动车的发展而提高。而锂离子电池作为传统的储能器件，其发展已经达到一个瓶颈，锂离子电池的能量密度很难有进一步的突破和提高。而拥有更高的理论容量（1675 mAh g^-1）和更高的理论能量密度的锂硫电池，逐渐进入了研究者的视野。但是锂硫电池在商业化之前受到许多不可避免的问题的影响，如在循环过程中，溶于有机溶剂的长链多硫化物会穿过薄膜，引起严重的“穿梭效应”。而在锂硫电池中，为抑制多硫化物穿梭效应，研究硫正极是一个主要方面。单原子具有催化多硫化物转化以及吸附多硫化物的作用。本论文基于国内外相关研究，构筑结构完整的负载单原子的多孔空心碳球用于载硫后构筑复合硫正极，并通过先进表征技术对其形貌特征、化学组成等基本性质进行表征，研究其对锂硫电池的影响。

本文主要研究了负载单原子的多孔空心碳球的合成及其表征和锂硫电池性能测试。

研究结果表明：负载单原子的多孔空心碳球能够实现较高的硫负载，构筑的复合硫正极具有良好的电化学性能。

关键词：锂硫电池；穿梭效应；单原子；多孔空心碳球

Abstract

Nowadays, the performance of energy storage devices is required to improve with the development of mobile portable devices and electric vehicles. As a traditional energy storage device, the development of lithium-ion batteries has reached a bottleneck. It is difficult for lithium-ion batteries to get further breakthroughs and improvements in energy density. Lithium-sulfur batteries with higher theoretical capacity (1675 mAh g-1) and higher theoretical energy density have gradually entered the researcher's field of vision.However, there are many inevitable problems and effect before the commercialization of lithium sulfur batteries. The soluble long-chain polysulfide will dissolve in the electrolyte during the cycling process, causing serious "shuttle effect". In the lithium-sulfur battery, the study of the sulfur positive electrode is a major aspect of inhibiting the shuttle effect of polysulfide and improving the cycling stability of the lithium-sulfur battery. Single atoms have the function of catalyzing the conversion of polysulfides and adsorbing polysulfides.This design is based on the related research at home and abroad,to construct porous hollow carbon spheres loaded with single atom with a complete structure for the construction of a composite sulfur positive electrode after sulfur loading. And through advanced characterization technology to characterize its morphological characteristics, chemical composition and other basic properties, and study its impact on lithium-sulfur batteries.

In this paper, the synthesis, characterization and performance testing of porous hollow carbon spheres with single atom loading are studied.

The results show that the porous hollow carbon spheres loaded with single atom can achieve a high sulfur load, and the constructed composite sulfur anode has a good electrochemical performance.

Key words: lithium-sulfur battery; Shuttle effect; Single atom; Porous hollow carbon sphere

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2锂硫电池简介 1

1.2.1锂硫电池的组成 1

1.2.2锂硫电池的工作原理 2

1.2.3锂硫电池存在的问题 4

1.3碳材料在锂硫电池正极中的应用 5

1.3.1一维碳材料 5

1.3.2二维碳材料 6

1.3.3三维碳材料 6

1.4本论文的研究意义和内容 8

第2章 实验方法与表征方法 9

2.1实验药品及设备 9

2.1.1 实验药品 9

2.1.2 实验主要仪器设备 9

2.2 电池正极的制备 10

2.3 材料结构表征方法 11

2.3.1X射线衍射分析 11

2.3.2拉曼光谱分析 11

2.4 材料形貌表征方法 11

2.4.1 扫描电子显微分析 11

2.4.2 透射电子显微分析 12

2.5扣式半电池的组装 12

第3章 材料表征分析和电极性能测试分析 14

3.1 材料结构表征 14

3.1.1 XRD表征 14

3.1.2 Raman谱表征 14

3.2 材料形貌表征 15

3.2.1 SEM表征 15

3.2.2 TEM表征 16

3.3 材料电化学性能表征 17

3.3.1 恒流充放电测试 17

3.3.2 循环性能测试 18

3.3.3 倍率性能测试 20

3.3.4 循环伏安测试 21

3.4 本章小结 22

第4章 结论与展望 24

4.1 结论 24

4.2展望 24

参考文献 26

附录A 29

附录B 30

致 谢 31

第1章 绪论

1.1引言

现今社会，国家越来越提倡绿色生活和低碳生活，所以人们开始降低对煤、石油等传统能源的依赖。同时可再生资源逐渐进入了人们的视野，太阳能、风能等清洁能源也能逐渐满足人们的需求，在人类的能源消耗中的比重也越来越大^[1-6]。但是太阳能和风能也受到地域和自然环境的限制，从而让其可利用的效率和范围受到了限制。于是，为了实现这类能源的存储、运输和使用，研究者对绿色健康的可充电电池等电化学能源储存设备的商业化进行了持之以恒的探索。

目前为止，已经实现商业化的电化学能源储存设备中，由于锂离子电池只需简单的锂离子脱嵌来进行电化学反应，且电压区间大、输出功率高等优势^[7-12]，锂离子电池的发展相比于其他电池体系要更快一些。但锂离子电池的正极成本较高，使其商业化的发展受到了极大的限制。但如果将电池的正极换成价格低廉、环境友好和储备丰富的硫，也就是新兴的锂硫电池，这一限制会得到极大的改善。当前已有许多研究者将目光聚集在锂硫电池上^[13-16]，又因为运用越来越广泛的电动车对于电化学能源储存器件的容量的要求越来越高，而锂硫电池凭借高容量的优势，成为最具商业化潜力的一个电池体系。所以对锂硫电池的关注和研究也越来越多^[17-22]。

锂硫电池通过正极的活性物质硫单质和负极的金属锂的可逆氧化还原反应进行充放电过程。在此过程中，硫正极会生成锂硫电池特有的多硫化物 ^[23-27]，其中，液相长链多硫化物Li₂S_x（4 ≤ x≤ 8）使电池中的S的有效含量减少而造成容量的快速衰减；锂硫电池中存在的“穿梭效应”会降低锂硫电池循环稳定性，使锂硫电池容量永久性衰减，并显著降低电池循环寿命，穿梭效应是锂硫电池研究所面临的最关键的阻碍。^[28-31]

1.2锂硫电池简介

1.2.1锂硫电池的组成

锂硫电池和锂离子电池的组成差不多，包括正负极、电解液和隔膜。锂硫电池的正极材料一般为硫单质或者硫的复合物；负极材料一般是金属锂或者含锂的材料；隔膜的作用是将正负极分隔开来，以避免短路，一般使用如聚丙烯等高分子材料；电解液一般是将有机锂盐（LiTSFI）溶解在醚类有机溶剂中。

1.2.2锂硫电池的工作原理

锂硫电池是通过锂和硫之间的氧化还原反应来实现存储和释放能量，该氧化还原反应的过程是可逆的，是正极的硫单质和负极的金属锂发生反应而断裂和生成S-S键，表示为以下公式：

S₈ 16Li ↔ 8Li₂S (1-1)

反应过程能表述为：在负极被氧化而形成的锂离子通过电解液抵达正极，将正极的硫单质还原，最终生成Li₂S，而负极产生的电子则通过外电路到达正极，表现为从正极到负极方向的电流。正极在反应中的中间产物可从图1-1中看到，，正极的硫单质从S₈反应直到最终的Li₂S的一系列的还原反应为以下公式：

S₈ 16Li 16e^- → 8Li₂S (1-2)

图1-1锂硫电池反应时中间产物及物相转变过程^[32]

总的来讲，正极的硫单质在放电过程中的结构和形态都发生了彻底的变化，可以分为两个步骤，：第一个，是在2.3-2.1 V的斜坡放电平台，硫单质在还原反应后转变成了可溶于醚类电解液的多硫化物Li₂S_x(4 ≤ x≤ 8），该部分理论放电容量为419 mAh g^-1；第二个是主要的放电平台，在2.1 V附近，其产物会转变为短链多硫化物Li₂S_x(1lt;xlt;4),最终生成还原产物Li₂S,在该平台的理论容量是1256 mAh g^-1[33]，所以锂硫电池在放电过程中的理论放电容量高达1675 mAh g^-1 。

在第一个放电平台中，硫单质被还原，生成一系列多硫化锂中间产物，首先进行的反应为：

请支付后下载全文，论文总字数：25597字

相关图片展示：