论文部分内容阅读
随着全球气候变暖和环境污染日益严重,越来越多的人要求使用清洁无污染的可再生能源取代传统的煤炭、石油等化石能源:如潮汐能、风能、太阳能等,因为它们主要是以转化为电能的形式被人利用,所以储能技术的发展就显得尤为重要。然而,目前的储能技术很难满足便携式电子设备、电动汽车和电网对移动或固定电源日益增长的需求。在各种清洁能源中,锂硫电池因其高的质量/体积能量密度(2500 Wh kg-1/2800 Wh L-1)被认为是一种最有前景的电化学储能设备。不过不同于传统的嵌入式正极材料,锂硫电池中正极材料单质硫具有导电性差、在充放电过程中经历了成分/结构变化以及可溶性聚硫化物严重的穿梭效应等缺点。尽管人们已经为此做出努力并取得了很大的突破,但仍有许多问题阻碍了锂硫电池的实际使用,尤其是锂硫电池中多硫化物严重的穿梭效应。为了克服这些缺陷:一是设计含有微/介孔结构的正极载体材料,在提高硫的导电性并缓解其在循环过程中的体积膨胀的同时抑制多硫化物的穿梭效应;二是在含有微/介孔结构的基础上引入催化剂,提高可溶性长链多硫化物和固态短链硫化物之间的可逆转化,更好的抑制多硫化物的穿梭效应,提高锂硫电池的电化学性能。研究表明,电池性能除了受电极材料形貌和结构的影响以外,催化剂（例如钴）在其中也扮演着很重要的角色。因此,本文着重研究了锂硫电池中孔结构和催化剂对电化学性能的增强机理。本论文主要包含以下五个方面:（1）简要地讨论了锂硫电池的工作原理、目前面临的挑战、锂硫电池各组成部分的研究现状,并着重介绍了目前研究较多的几种硫正极载体材料。（2）详细介绍了硫正极载体材料的合成方法、所用实验仪器及样品表征方法。（3）选用天然高分子聚合物——壳聚糖做碳源,通过羟醛缩合反应制备前驱体,进而通过改变碳化温度制备了具有不同形貌结构的多孔碳球。当其他反应条件保持不变,碳化温度为600°C、700°C、800°C和900°C时,依次生成大小不均匀且表面粗糙的多孔碳球,大小均匀且表面光滑的类蜂窝状多孔碳球,保留部分未破裂的多孔碳球和完全破裂的多孔碳球。另外,N2-吸附脱附曲线结果表明,四种正极载体材料都具有较高的比表面积且均具有微/介孔结构。将这四种正极载体材料组装成电池进行性能测试发现,它们的初始放电比容量分别为1001.5、1120、897和610 mAh g-1,在充放电循环300圈之后四种材料的放电比容量分别是778.1、879.7、748.6、568.7 mAh g-1。在这四种硫正极载体材料中,微/介孔类蜂窝状碳球（SHC）的电化学性能最佳。（4）制备具有单原子钴掺杂的微/介孔碳纳米复合材料（Co-N/MMC）。相比于Fe-N/MMC,Co-N/MMC正极载体材料具有更好的形貌,更高的比表面积和微/介孔体积,更多的反应活性面积和活性位点,更稳定的电极结构,能够更好的抑制多硫化物的穿梭效应,并通过理论计算和实验结果表明,具有较强催化活性的单原子钴的引入在降低极化的同时能够促进长链多硫化物和短链硫化物之间的可逆转化,加快反应动力学的发生。在防止多硫化物溶解扩散方面,微/介孔结构与催化剂的结合可以从物理和化学方面更大程度的抑制多硫化物的穿梭效应,因此Co-N/MMC-Li2S6电极表现出更高的充放电比容量和更优异的倍率性能以及长周期循环稳定性。其中在1 C的电流密度下循环300圈后,Co-N/MMC-Li2S6电极的放电容量为1010.3 mAh g-1,库伦效率仍然在101.2%左右,每圈的容量衰减率仅为0.08%,甚至在2 C的电流密度下循环500圈后,Co-N/MMC-Li2S6电极的放电容量由初始的942.6降为542.5 mAh g-1,库伦效率依旧高达101.4%,每圈的容量衰减率低至0.08%。（5）对全文工作内容进行了总结并对未来锂硫电池的研究工作进行了展望。