锂硫电池的组装及其性能研究开题报告
2021-03-25 00:02:10
1. 研究目的与意义（文献综述）
随着世界能源需求的持续增加，开发新型的能源储存体系势在必行[1-6]。近年来，新能源汽车、移动通讯、便携式移动电子设备等领域发展迅速[7-12]。传统储能电源的比容量已经不能满足当今市场的要求，研发更高能量密度的二次电池迫在眉睫。
锂离子电池的比能量为250Wh/kg[8]。因其具有循环寿命长、能量密度大、对环境友好以及无记忆效应等优点而成为目前市场上各类电子设备的首选电源[11]。但由于受到正极材料比容量的限制，只能靠提高充电电压来进一步提高比能量，这无疑加剧了安全问题[8]。而且锂离子电池的比容量也无法满足目前的需求[7, 9]。
表1：锂离子电池各种正极材料的性能参数[9]
| 正极材料 | 理论比容量(mAh/g) | 相对价格 |
| LiCoO2 | 275 | 1 |
| LiNiO2 | 274 | 0.86 |
| LiFePO4 | 170 | 0.2 |
| LiMn2O4 | 148 | 0.17 |
| V2O5 | 400 | 0.085 |
通过对锂离子电池各种正极材料性能参数的比较，不难看出表中所列各种正极材料的理论比容量都比较低。然而单质S以其较高的理论比容量（1675 mAh/g）以及较低的价格（相对上表为0.017）逐渐成为人们所关注的焦点。而且硫在自然界中的储量丰富、对环境污染小、成本低廉[7-21]、使用温度范围宽、具有过充保护作用、具有循环寿命长的潜质[19]，是一种应用前景极好的正极材料。以金属锂为负极、单质硫为正极的锂硫二次电池的理论比能量可以达到2600Wh/kg（其中锂和硫的理论比容量分别为3860mAh/g和1675mAh/g）[3, 4, 6-14, 16-21]，是目前锂离子二次电池能量密度的7~8倍[7]，具有巨大的经济效益和广阔的市场前景。
然而，锂硫电池体系是基于溶解—沉积反应[10, 16]，因此存在一些不可避免的问题：①锂硫电池在充放电过程中容易发生穿梭效应[1-34]，即生成的高价态的聚硫离子溶于电解液扩散到锂负极，发生副反应，生成低价态的多硫化锂，又迁移到硫正极，生成高价态的多硫化锂。从而使锂负极发生腐蚀，活性物质硫逐渐减少，利用率降低，电池的循环性能变差，库伦效率降低。②单质硫及其反应产物Li2S、Li2S2等的电子导电率和离子导电率都很低[7-9, 14, 17]，易导致电池内阻增加。③不溶性Li2S沉积在锂负极[7, 10, 11]，造成锂负极表面生成枝晶[11]，而单质硫与Li2S则因密度不同[10]导致硫正极体积膨胀[7, 9-11]甚至破碎，破坏了电池结构，造成能量损失，加剧了电池的容量衰减[9]。
锂硫电池放电过程的反应如下[21]：
（1） S8 2Li→Li2S8
（2） Li2S8 2Li→2Li2S4
（3） Li2S4 2Li→2Li2S2
Li2S4 6Li→4Li2S
（4） Li2S2 2Li→2Li2S
目前国内外对锂硫电池的研究包括正极材料、负极材料、隔膜、粘结剂、导电剂与电解液等6个方面。就正极材料来说：
国内：苗力孝等[20]制备了具有导电网状结构的空心球形碳/硫复合材料（HSCW@S）;徐丰等[21]制备了硫/多壁碳纳米管复合材料；陈飞彪等[30]制备了聚萘/硫复合电极；zhou等[31]制备了石墨烯包覆S的纳米微球；Li等[32]先用ZIF-8和FA合成MOF-C骨架材料，再经NH3处理，用两步热处理法制备了S/C复合电极材料；Wang等[33]制备了C-S@PANI导电聚合物微球结构。
国外：Ulrich Stoeck等[23]制备了S/TNC复合电极；Juan Balach等[1]制备了S/KB复合电极；Gu[34]等制备了CMK-3/S复合电极。
上述正极材料均有效地改善了硫正极的电化学性能，但每种材料或多或少都存在一些缺点。例如电极制备的工艺较为复杂、成本较高等。因此科研工作者将研究重心转移到了隔膜的修饰上[1-6, 22-29]。
本论文的目的是探索以商业化标准化材料进行锂硫电池组装的优化工艺，为后续开发应用于锂硫电池的修饰型隔膜提供技术支撑。
2. 研究的基本内容与方案
2.1研究（设计）的基本内容
1.选用不同的电极、隔膜、电解液材料完成锂硫电池的组装；
2.完成锂硫电池的电化学测试工作；
3. 研究计划与安排
（1）第1-2周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需条件。确定方案，完成开题报告；
（2）第3-14周：按研究方案开展实验，并结合实际情况进行优化和改进；
（3）第15周：整理实验数据，完成并修改毕业论文；
4. 参考文献（12篇以上）
[1] balach j, jaumann t, klose m, et al. functional mesoporous carbon-coated separator for long-life, high-energy lithium-sulfur batteries [j]. advanced functional materials, 2015, 25(33): 5285-91.
[2] chung s-h, manthiram a. bifunctional separator with a light-weight carbon-coating for dynamically and statically stable lithium-sulfur batteries [j]. advanced functional materials, 2014, 24(33): 5299-306.
[3] zhang z, lai y, zhang z, et al. a functional carbon layer-coated separator for high performance lithium sulfur batteries [j]. solid state ionics, 2015, 278:166-71.
