论文部分内容阅读
锂硫二次电池由于高的能量密度和低成本,且其重量能量密度(2600 Wh/kg)是现有锂离子电池体系的35倍,以及较高的理论比容量(1672 mAh/g),因此成为目前全世界电池领域研究的热点之一。锂硫电池的正极材料直接影响着电池的容量大小,同时也是评价电池性能的重要参考因素之一。金属氧化物提供的金属-氧键能够有效阻止多硫化合物在电解液中的溶解,进而提高活性物质硫的有效利用率,加强了电池的电化学性能。纳米结构的氧化物尺寸小,用于锂硫电池正极时,不仅使得锂离子的迁移时间缩短,还能在锂离子脱嵌时内应力得到有效缓解,相应地增加锂硫电池循环性能,延长循环寿命。此外,多孔结构材料的氧化物表面积较大,有很多空隙,使得电解液容易通过进入到纳米结构的材料中。基于金属氧化物用于锂硫电池正极材料载体的重要性,本文主要研究了多孔中空核壳SnO2/S、中空TiO2/S、和中空Mg0.6Ni0.4O/S的制备及作为锂硫电池正极材料的电化学性能。主要研究内容和研究结果如下:(1)以C球为模板,以SnCl2·2H2O为原料,通过溶剂热反应制备出中空核壳SnO2纳米微球,再结合液相渗入法和熔融-融合法得到SnO2/S复合物。利用透射电子显微镜(TEM)、X-射线衍射(XRD)、热重差热分析(TGA)测试手段对复合物进行形貌、结构及不同组分含量确定的表征;通过循环伏安法(CV)、电化学阻抗谱(EIS)、恒电流充放电测试方法对其进行电化学性能表征。结果显示,相比于单独的S电极,中空核壳SnO2/S复合物作为锂硫电池正极材料具有优异的电化学性能,不仅有较高的库伦效率,经50次循环后,容量保留达到92%(单独S电极的容量保持率仅有25.2%)。此外,SnO2能够加强单质S的电子导电性,还能有效阻止充放电过程中多硫化合物在电解液中的溶解,有效缓解了锂硫电池容量衰减的问题(2)以C球为模板,结合溶剂热反应制备出中空结构的TiO2,并通过液相渗入法和熔融-融合得到TiO2/S复合物。利用透射电子显微镜(TEM)、X-射线衍射(XRD)、热重差热分析(TGA)测试手段对复合物进行形貌、结构及不同组分含量确定的表征;利用循环伏安法(CV)、电化学阻抗谱(EIS)、恒电流充放电测试方法对其进行电化学性能表征。结果表明,中空TiO2/S复合物作为锂硫电池正极材料,在350 mA/g的电流密度下,经50次循环后,容量保留达到89%。说明,TiO2能有效阻止充放电过程中多硫化合物在电解液中的溶解,有效缓解了锂硫电池容量衰减的问题。(3)以Mg(AC)2·4H2O,Ni(NO3)2·6H2O为主要原料,通过溶剂热反应和模板移除,制备出中空Mg0.6Ni0.4O纳米球,再经液相渗入和熔融-融合得到Mg0.6Ni0.4O/S复合物。利用扫面电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X-射线衍射(XRD)、热重差热分析(TGA)测试手段对复合物进行形貌组成及不同组分含量确定的表征;通过循环伏安法(CV)、电化学阻抗谱(EIS)、恒电流充放电测试方法对其进行电化学性能表征。结果表明,中空Mg0.6Ni0.4O/S作为锂硫电池正极材料时,在电流密度为200 m A/g的条件下,经过65次循环,其容量仍能高达912 mAh/g;在电流密度为4000 m A/g时,经过500次循环后,其可逆容量仍能保持在174.5 mAh/g,容量保持率达77%,库伦效率也在95%以上。优异的电化学性能表明,Mg0.6Ni0.4O不仅能够缓解充放电过程中多硫化合物在电解夜中的溶解,更能说明中空Mg0.6Ni0.4O/S是一种较为理想的锂硫电池正极材料。