多孔石墨烯及MXene基锂硫电池正极材料的制备及性能研究

来源 :燕山大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:tklsd
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
锂硫电池具有较高的理论比容量(1675 mAh g-1)和能量密度(2600 Wh kg-1),被认为是有前途的下一代可充电电池系统,但其正极活性材料(硫)较差的导电性、电极反应中缓慢的氧化还原动力学、电极间严重的“穿梭效应”等问题阻碍其进一步的性能提升。合理设计及构建的正极材料被认为是解决锂硫电池系统上述问题的关键。作为新型的二维材料,石墨烯和MXenes由于其可控的合成方法、优异的电导率、可调控的功能化表面官能团等特性,被广泛应用于电化学能源存储与转换领域。由于二维材料中的范德华力和?-?相互作用引起不可避免的片层堆积,因此其质量能量密度较低、倍率性能受限。鉴于此,本文通过自组装、物理活化、化学造孔等方法构建四种石墨烯和MXene基三维多孔材料,并研究其作为硫宿主展现的电化学性能。详细的研究内容、结果、讨论归纳为以下几个方面:通过一步水热法合成高比表面积(740 m2 g-1)和孔体积(1.39 cm3 g-1)的氮掺杂石墨烯纳米带/碳纳米管复合气凝胶(NGCA)。以NGCA作为硫宿主制备的正极材料展现出较高的初始比容量(1220 mAh g-1,0.1 C)、出色的倍率性能(540 mAh g-1,2.0 C)以及出色的循环性能(587 mAh g-1,0.5 C,100圈)。NGCA高孔隙率的三维结构促进电解液在电极内部的扩散;引入的碳纳米管形成高效的导电框架,缩短电子的传输途径;掺杂的氮与多硫化物通过形成Li键(Li···N)实现较强的相互作用,缓解“穿梭效应”;由此提高电极的电化学性能。利用氮掺杂的石墨烯纳米带气凝胶和二氧化碳分别作为前驱体和活化剂,通过物理活化方法制备具有分级多孔结构的氮掺杂多孔碳(NPC)。该材料具有适宜的氮含量(5.1 atom%),保持石墨烯纳米带气凝胶的海绵状形态,并显示出高比表面积(1380 m2 g-1)和孔体积(2.0 cm3 g-1)。研究表明,大量的微孔结构和氮掺杂有效提高该材料对多硫化物的物理、化学吸附能力,从而抑制多硫化物的“穿梭效应”。此外,NPC内部分级多孔结构加速电解液的浸润,并提供快速的电子传输通道。以该材料作为硫宿主制备的正极表现出良好的倍率能力和循环稳定性。以氧化石墨烯纳米带和磷钼酸水合物为前驱体,通过水热法合成纳米结构的氮掺杂多孔碳/二氧化钼复合材料(NPC/MoO2)。多孔纳米结构促进电解液在电极内部的扩散,且MoO2纳米颗粒通过较强的化学吸附作用固定多硫化物。得益于NPC/MoO2在液-液和液-固边界中高效的催化活性,多硫化物的氧化还原动力学得到改善。通过电化学测试证明NPC/MoO2材料对多硫化物氧化还原反应的催化作用。通过基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算证明NPC/MoO2对多硫化物具有优异的固定作用。因此,NPC/MoO2作为宿主材料的正极显示出低极化、高初始放电容量(1403 mAh g-1,0.1 C)、良好的倍率能力(584 mAh g-1,4 C)、优异的循环性能(1 C电流密度时为503 mAh g-1,每个循环的容量衰减率为0.07%)等特性。利用一步法碱处理制备高比表面积的MXene衍生多孔材料(Ti3C2/C),材料表面的缺陷碳增加电化学反应面积,进一步剥离的Ti3C2 MXene片层暴露更多活性位点。一系列实验表明,Ti3C2/C通过较强的化学吸附作用表现出高效的多硫化物固定作用。此外,进一步的电化学测试证实Ti3C2/C电极中硫化锂(Li2S)快速的氧化还原反应动力学、降低的初始成核过电势及提高的生长动力学。Ti3C2/C表面的无序碳优化表面电荷转移动力学,同时为Li2S提供额外的沉积位点。因此,Ti3C2/C基正极有效提升锂硫电池的性能,例如超高的初始放电容量(0.1 C电流密度时为1668 mAh g-1)、出色的倍率性能(5 C电流密度时为520 mAh g-1)、优异的容量保持能力(1C电流密度下进行500次循环后保持530 mAh g-1的容量,每个循环低至0.05%的衰减率,接近99%的库仑效率)。
其他文献
随着我国国际地位的不断提升,越来越多的人开始学习汉语。由于历史和文化的差异,在进行对外汉语的教学时存在着很多的问题,其中汉字书写被认为是最难的一点,特别是那些字母写
拨乱反正、改革开放以来,我国学校德育出现了一些和过去不同的特点。一、德育目的的全面性。五十年代,德育目标集中表现为“听党的话”,“党指向哪里就奔向哪里”。但当时的
<正> 对于目录形成的问题,历来有不同的观点: 第一种观点认为,目录产生于殷商的“记事刻辞”。最早的推测,是《隋书&#183;经籍志》(唐代魏征等撰)。此书记载:“古者史官既司
<正> 我国古代目录学者经过对前人的目录工作实践经验,学术思想的不断总结和继承,加之自己的大胆探索和创新发展,使中国古典目录学日臻完善,终于形成了具有我国特色的目录学
为了评价黔西松河井田煤层气资源的开发潜力,依托松河井田煤层气勘查开发示范工程,探讨了井田煤层气赋存及成藏特征,采用类比法、等温吸附法及数值模拟法综合研究了煤层气资
8月6日,第48届全台地区技能竞赛在台湾地区劳动部劳动力发展署中彰投分署隆重举行开幕仪式.据了解,第48届全台地区技能竞赛持续到10日.此次比赛中,台湾地区计有47职类788名选
<正> 近几年,图书馆改革的一大趋势是创建和恢复了多渠道、多层次、多形式的横向联系,其联系的领域几乎涉及到图书馆各个方面。下面我们粗浅地谈谈图书馆横向联系的几个问题
4月22日-23日,铭泰赛车2017赛季揭幕站在珠海国际赛车场顺利落幕。2017国际汽联F4中国锦标赛是由国际汽车联合会授卡义,中国汽车摩托车运动联合会主办,
一、评课的原则。二、评课的指标:(一)教学目标;(二)教学内容;(三)教学方法;(四)教学思想;(五)教师素质。三、评课的着眼点。 First, the principle of assessment. Second,
<正> 这几年,桂林冶金地质学院图书馆在学院和区图工委的领导下做了一些工作,取得一定的成绩,但也还存在着一些问题。现将工作情况简要介绍如下。一、以改革为中心,认真贯彻