摘 要

锂硫二次电池理论能量密度十分高，可以达到 2600 Wh/kg，与此同时，单质硫的成本比较低，对环境无污染，因此，锂硫电池被认为是最有前景的高能量密度的锂电池之一。但是由于它较差的放电性能和低的循环稳定性，锂硫电池的商业化一直以来是一个非常巨大的挑战，这些缺点部分来自于聚硫化物自身的溶解和聚硫化物通过隔膜在正负极之间的穿梭。为了抑制聚硫化物的溶解，基于硫的新型复合正极已经被提出来。然而没有多少研究关注电池隔膜的修饰。在本文的工作中，合成出来一种聚合物功能化的多壁碳纳米管复合材料，并采用这种功能化的碳纳米管修饰商业隔膜。应用聚合物功能化碳纳米管修饰过的多功能隔膜，锂硫电池在倍率为 0.1 C下展现一个较高的初始放电比容量，为 1002 mAh/g。在倍率为 1C 时经历了 200 次长的充放电循环后，每个循环有 0.016% 的容量密度损失。这些电化学实验结果表明改性后的锂硫电池具有较为优异的放电性能和较高的循环稳定性。

关键词：锂硫电池；聚合物功能化碳纳米管；隔膜

Abstract

Lithium-sulfur battery has a high theoretical energy density, which is 2600 Wh/kg. At the meantime, sulfur is relatively cheap and friendly to the environment. Therefore, lithium-sulfur battery is considered to be the most promising high energy density lithium battery. But because of poor performance and low discharge cycling stability, the commercialization of lithium-sulfur battery has been a very big challenge. These shortcomings partly come from the dissolution of polysulfide and their shuttling between the poles. In order to inhibit the dissolution of polysulfide, new composite cathode based on sulfur has been researched. However, few studies have focused on separator modification. In this work, the polymer functionalized multi-walled carbon nanotube composites are synthesized and used to modify commercial separator. With multifunctional separator, lithium-sulfur batteries show a higher initial discharge capacity of 1179 mAh/g at 0.1 C. It goes through a long 200 charge and discharge cycles at 1 C with 0.016% loss per cycle. These results show that modified lithium-sulfur batteries have a more excellent discharge performance and high cycle stability.

Key Words：Li-S cell; Functional-polymer-supported Carbon Nanotubes; Separator

目 录

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2锂硫电池的工作原理 2

1.3锂硫电池的优点和存在的问题 2

1.4提高锂硫电池的电化学性能的方法 3

1.4.1 锂硫电池正极的改性 3

1.4.2 锂硫电池隔膜的优化 4

1.5 本论文研究的内容和意义 7

第二章 实验部分 8

2.1 实验药品 8

2.2 实验仪器 8

2.3 实验步骤 8

2.3.1 聚合物功能化碳纳米管的制备 8

2.3.2 改性隔膜的制备 9

2.3.3正极极片的制备 9

2.3.4 纽扣电池的组装 9

2.4 材料表征 10

第三章 结果与讨论 11

3.1 化学结构分析 11

3.2 微观形貌分析 11

3.3 循环性能分析 12

3.4 倍率性能分析 14

3.5 循环伏安测试 15

3.6 阻抗分析 16

第四章 结论 17

参考文献 18

致谢 20

第一章 绪论

1.1 引言

能源在人类社会中始终占有着重大角色，人类目前可以利用的自然能源主要有太阳能（包括光能和热能）、水能、波能、潮汐能、风能、生物质能等。但是，由于这些自然能源的季节性和不连续性，我们往往很难高效的利用它们，因此我们需要特殊的装置实现这些能量的转换和储存以实现能量的高效和便利的使用。因此能量储存与转换装置作为一种清洁、高效的使用能量的中间步骤，受到了众多研究者的广泛关注^[1]。

化学电源又称电池，是一种能将化学能直接转变成电能的装置，它通过化学反应，消耗某种化学物质，输出电能。常见的电池大多是化学电源。电池对社会的发展，国防军事的强化，人们生活水平的提高起着非常重要的作用。1800年，伏打研制成了伏打电池，这是世界上第一个可以应用于实际的电池。1859年，法国的科学家普兰特 (Plante) 发明的铅酸蓄电池，这是世界上最早的可充电电池。紧接着锌-锰干电池、镉-镍电池和铁镍蓄电池、中性锌-空气电池、锌-银电池、锌-汞电池被成功研制出来。在20世纪80年代，小型镍金属氢化物（NiMH）蓄电池出现了，它能在大电流下工作，并且有着比较高的比能量。90年代又出现了更高比能量的锂离子蓄电池和聚合物电解质膜 (PEM) 燃料电池，这种电池有着更高的应用前景。

随着这些蓄电池的出现和发展，很多现代化的电子设备和产品的质量和体积大幅减小了。但是，随着移动通讯的迅猛发展和电动汽车行业的崛起以及人们日益增长的需求，人们对电池的要求越来越高了。电子产品的轻量化微型化和电动汽车要求的持续动力都希望电池有一个高的能量密度和长的循环寿命。

世界上公认的新一代化学能源锂离子二次电池，已经成功地在各种便携的电子设备中商品化和产业化，但是，因为相对于负极的锂金属而言，目前研究的传统的正极材料的比能量太低，锰酸锂的比容量是 100~130 mAh/g, 钴酸锂的比容量是 132~140 mAh/g，镍酸锂的比容量是 170~180 mAh/g，这么低的比容量密度已经不能满足不了人们对它的期待了,所以目前商品化锂离子二次电池受限于理论容量， 已远不能满足技术发展的需求^[2]。虽然，近些年，许多研究者在正极材料的改进方面做出了许多有效的工作，但是这些提高和改善成本较高，有一定的毒性而且不安全，所以，我们需要进一步研究，开发出拥有更高的能量密度、更长的循环寿命和价格成本低廉的新型绿色电池体系。

在人类社会进入二十一世纪的今天，高度信息化是它的特色，我们的各种电子设备和产品都朝着轻量化和微型化发展，因此我们迫切的需要研发出比能量比较高的、比功率要大的、体积比较小的、质量比较轻的、安全绿色不污染环境的新型二次电池。因此我们去研发一种更高效和满足现在的需求的锂电池是非常具有现实意义的。