论文总字数：23020字

摘 要

人类社会发展至今，储能装置的发展程度能否跟上能源需求的脚步显得尤为重要。在理论上，锂硫电池的比容量可以达到1675 mAh·g^-1，并且正极材料单质硫储量丰足、造价低廉，因此锂硫电池在全球范围内被广泛研究。但是，多硫化物的“穿梭效应”是制约锂硫电池商业化应用的一大问题，为抑制该效应，本文采用了有机多孔材料来改性商用隔膜的方法。

本文通过简便的方法合成了COF-10@CNTs有机材料，采用抽滤的方法将其涂覆于商用Celgard 2400隔膜。电化学测试表明使用COF-10@CNTs修饰隔膜的锂硫电池具有高的室温离子电导率σ、高的锂离子迁移数、宽的电化学窗口。循环性能测试表明该修饰隔膜可以使锂硫电池具有更高的充放电比容量及循环容量保持率、更好的高倍率循环性能。

关键词：锂硫电池 穿梭效应 改性隔膜 多硫化物

Abstract

For the development of human society, it is especially important that the development level of energy storage device can meet the energy demand. In theory, the specific capacity of a lithium-sulfur battery can reach 1675 mAh·g^-1, and the positive electrode material has abundant sulfur reserves and low cost. Therefore, lithium-sulfur batteries have been widely studied worldwide. However, the "shuttle effect" of polysulfides is a major problem that restricts the commercial application of lithium-sulfur batteries. In order to suppress this effect, this article uses an organic porous material to modify the method of commercial separators.

In this paper, the organic material COF-10 @ CNTs was synthesized by a simple method, which was applied to the commercial Celgard 2400 membrane by suction filtration. Electrochemical tests show that the lithium-sulfur battery using COF-10 @ CNTs modified separator has high room temperature ion conductivity σ, high lithium ion migration number, and a wide electrochemical window. The cycle performance test shows that the modified separator can make the lithium-sulfur battery have higher charge-discharge specific capacity and cycle capacity retention rate, and better high-rate cycle performance.

Keywords: lithium-sulfur battery; shuttle effect; modified separator; polysulfide

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1 引言 1

1.2 锂硫电池概述 1

1.2.1 锂硫电池工作原理 2

1.2.2 锂硫电池目前存在的问题及解决方法 3

1.3 本文研究的内容及意义 6

第二章 实验方法 9

2.1 实验原料、器材 9

2.1.1 实验试剂 9

2.1.2 实验仪器及设备 10

2.2 实验所需材料制备 11

2.2.1 正极材料 CNTs@S 及正极极片的制备 11

2.2.2 有机多孔材料 COF-10@CNTs 的制备 11

2.2.3 有机多孔材料修饰隔膜的制备 11

2.3 材料的物理表征 12

2.3.1 X-射线衍射分析 12

2.3.2 扫描电子显微镜分析^[28] 12

2.4 电池的组装及电化学性能测试 12

2.4.1 纽扣式锂硫电池的组装 12

2.4.2 循环伏安测试 12

2.4.3 交流阻抗测试 13

2.4.4 离子电导率测试 13

2.4.5 锂离子迁移数测试 13

2.4.6 充放电测试 13

第三章 结果与讨论 16

3.1 COF-10@CNTs材料的X射线衍射分析 16

3.2 COF-10@CNTs修饰隔膜的微观形貌分析 16

3.3 电化学性能表征 17

3.3.1 CV测试 17

3.3.2 交流阻抗测试 18

3.3.3 离子电导率测试 20

3.3.4 电化学窗口 22

3.3.5 离子迁移数测试 22

3.3.6 循环性能测试 24

3.4 本章小结 27

第四章 总结与展望 24

4.1 总结 24

4.2 展望 25

参考文献 26

致谢 29

第一章 绪 论

1.1 引言

人类对于能源的需求日益增长。传统化石能源的发现与使用，大大加速了工业化的进程，但化石能源不断发掘、使用、枯竭的同时也带来了巨大的环境污染问题，对人们的生活造成了不可忽视的影响^[1]。因此，人们将目光转移到开发可再生清洁能源之上，而这些能源不可直接利用，需要利用储能装置将其转化为其他能量并储存起来，且必须能将其稳定释放出来^[2]。这样一来，储能装置的发展程度能否跟上需求的脚步显得尤为重要。众多电池中，锂离子电池因其较高的理论容量、较高的安全性能而被普遍使用，同时锂离子电池寿命长，工作电压高，可满足较高功率要求^[3]。自上世纪九十年代，锂离子电池大规模商业化后，人类的生活发生了非常巨大的变化，手机、笔记本电脑的普及化彻底改变了人们的生活与工作。如今，智能通讯与新能源汽车飞速发展，而传统的锂电池的能量密度已达到瓶颈，他们已经渐渐不能满足人们对高能量密度储能系统的需求要求。仅通过对正极材料和碳类负极材料的创新与改性已无法显著提高其比容量，所以科研人员开始寻找、研发一种有着高能量密度，同时具有较长的循环寿命、低成本的新型二次电池体系，其中，锂硫电池因其优异的电化学性能引起了人们的高度关注^[4]。

1.2 锂硫电池概述

采用硫单质作正极材料、锂金属作负极材料的锂离子电池即为锂硫电池。其负极材料金属锂是地球上最活泼的金属元素之一，它的能量密度非常高^[5]。正极材料单质硫环境友好，无毒无害，能量密度高(2600 Wh/kg)，它在地球上储量非常丰富，广泛分布于地球上的各个角落，如岩石、土壤等，因此价格低廉 ^[6]。如此优异的条件激发了科研人员浓厚的兴趣，锂硫电池在全球范围内被广泛研究，是当前新能源领域最具潜力的二次电池体系之一，极具商业化价值。

1.2.1 锂硫电池工作原理

传统的锂离子电池通过从材料中锂离子的嵌入和脱嵌来工作，所以理论容量受到限制。而锂硫电池在充放电过程中存在锂离子的嵌入与脱嵌的同时，硫正极也会发生一系列复杂的反应。

锂硫电池放电过程的反应式如下所示：

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