摘 要

为了研发高性能的锂硫电池，使之大量的应用在生活中。本次课题主要针对功能性中间层添加的出发进行氧化性改性隔膜的制备与性能测试。在正极和隔膜之间，涂覆一层具有氧化物改性材料，电池电荷转移阻抗可以得到一定的改观、电池极化会变低。与此同时，还能够吸附多硫化锂，穿梭效应带来的负面效应降低，电池的性能比以往的更加优异。

本次课题研究氧化石墨烯改性聚丙烯隔膜的优化过程。以氧化石墨烯和硫脲为前驱物，无水C₂H₅OH为溶剂，加入不同量的二氧化钛纳米线，通过水热法还原氧化石墨烯并得到了N-TiO₂/GO复合材料，进而制备具有功能性的聚丙烯隔膜，分析所制得的GO的形态和被氧化的程度对其电池的电化学的性能的影响。使用材料分析研究手段和充放电实验对GO和所制备的改性隔膜的结构和性能做分析。结果表明:N-TiO₂/GO隔膜能在一定程度上抑制穿梭效应，而且有相当好的综合电池性能。引入该隔膜的锂硫电池在0.2C的条件下，首次充放电比量容为683mAh·g^-1,，高于未改性的聚丙烯隔膜的首次电放比容297mAh·g^-1。不过，电池的综合性能有了一定的提高，但是在随着循环数的增加先出现比容量先增加后下降的趋势。

关键字：锂硫电池 聚丙烯隔膜 氧化石墨烯 功能性中间层

Oxide modified polypropylene diaphragm lithium sulfur battery

Abstract

In order to develop high-performance lithium-sulfur batteries, a large number of applications are made in life. This project mainly focuses on the preparation of functional oxidized modified separators and performance testing. Between the positive electrode and the separator, coating a layer with an oxide modified material, the battery charge transfer impedance can be improved, and the battery polarization will become lower. At the same time, lithium polysulfide can also be adsorbed, and the negative effect of the shuttle effect is reduced, and the performance of the battery is more excellent than before.

This project studied the optimization process of graphene oxide modified polypropylene separators. Using graphene oxide and thiourea as precursors and anhydrous C₂H₅OH as solvent, different amounts of titania nanowires were added, and graphene oxide was reduced by hydrothermal method to obtain N-TiO₂/GO composites, thereby preparing functional Polypropylene separators were analyzed for the morphology of the prepared GO and the degree of oxidation to its electrochemical performance. The structure and properties of GO and the prepared modified separators were analyzed using material analysis and research methods and charge and discharge experiments. The results show that the N-TiO₂/G0 separator can suppress the shuttle effect to a certain extent and has a fairly good overall battery performance. The lithium-sulfur battery introduced with the separator has a first charge-discharge ratio capacity of 683 mAh·g^-1 at 0.2 C, which is higher than the first electrodeposition capacity of the unmodified polypropylene separator of 297 mAh·g^-1. However, the overall performance of the battery has been improved, but it has decreased after the first increase in the specific capacity as the number of cycles increases.

Key words: lithium-sulfur battery ;polypropylene separator;graphene oxide;functional interlayer

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2锂硫电池 1

1.2.1锂硫电池的组成和工作原理 2

1.2.2锂硫电池的特点 3

1.2.3锂硫电池的隔膜的原理 4

1.3锂硫电池改性隔膜的研究进展 5

1.3.1碳材料改性隔膜 5

1.3.2金属氧化物改性隔膜 6

1.3.3其他材料改性隔膜 6

1.3.4 复合材料改性隔膜 6

1.4氧化物改性聚丙烯隔膜 6

1.4.1氧化石墨烯 6

1.4.2氧化石墨烯改性聚丙烯隔膜的特点 7

1.4.3 水热法制备还原氧化石墨烯 7

1.4.4制备氧化石墨烯改性隔膜的方法 8

1.5实验研究内容 8

第二章 实验研究方法 9

2.1研究方案 9

2.2主要实验试剂和实验设备 9

2.2.1实验试剂 9

2.2.2实验设备 11

2.3 N-TiO₂/GO的制备 12

2.4材料的结构表征和物性分析 12

2.4.1 扫描电子显微镜（SEM) 12

2.5电流充放电测试 12

2.5.1氧化物改性聚丙烯隔膜片的制备 13

2.5.2正极片的制备 13

2.5.3纽扣电池的组装 14

2.5.4电化学性能的测试 15

第三章 结果与讨论 17

3.1氧化石墨烯改性物的扫描电镜 17

3.2氧化石墨烯改性隔膜的电化学循环性能 18

3.3.1 纯硫-无涂层的聚丙烯隔膜的电化学性能 19

3.3.2 氧化石墨烯改性聚丙烯隔膜的电化学性能 20

第四章 结论 23

参考文献 25

致谢 27

第一章 绪论

1.1引言

为了应对能源紧缺以及越来越严重的环境问题，人们发掘出来了许多绿色可再生能源，如太阳能、潮汐能、地热能等，但是这些能源需要经电化学储能体系的转变后，才可以被广泛使用。因此，电池，电池作为一种化学能源，能将化学和电能相互转换的储能设备，是人类数千年来对电的研究成果，1887年赫勒森发明最早的干电池，由于它的便利获得了广泛使用，从此电池闯进人们生活，逐渐成为人类能源使用的必需品。现如今，随着科技的发展进步，越来越多的电子产品如手机、电脑、ipad等以及混合动力汽车领域、计算机领域^[1-3]中出现广泛地使用电池。这就更需要研发人员去探索发现各个方面都不错，性比价比较高的电池。高效能环保的储能材料的开发日益加快，而锂 - 硫（Li-S）电池有望成为下一代能量存储设备^[4]。

锂硫电池有着巨大的前景，是因为它们的能量密度高（2600 W h kg-1）并且比现有的锂离子电池成本更低，是一种高能量密度、绿色环保的储能体。虽然锂硫电池以很高的能量密度优点获得了广大科研工作者的瞩目，并取得了显著地成效，但是受制于一些物化特性和反应性能，锂硫电池的研发之路不是顺顺当当^[5-6]。

1.2锂硫电池

自研发以来，锂硫电池的发展经历过沉寂，但是最近的几年里展现了迅猛发展的苗头。该电池是硫元素为正极,锂为负极。经探测单质硫的储存的量大，且有着价格相对来说很便宜、对环境没有污染等等这些特点。如果电池的正极材料使用硫，理论上来说其比容量为1675m Ah/g 、比能量可达2600Wh/kg，比目前生活中广泛使用的电池的比容量的高出好几倍。锂硫电池将为我们的生活带来更多的便利，让生活更美好。

锂硫电池也留给我们许多需要解决的难题，比如：体积能量密度非常低、循环性能差、锂负极的可充性等，针对这些问题主要对电解液和正极材料进行优化。目前，许多课题开始进行引入功能性中间层的研究。针对功能性隔膜本文展开一系列的探索与研究。

1.2.1锂硫电池的组成和工作原理

图1-1 电池结构图

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