衍生碳纤维材料在锂硫电池中的电化学性能研究

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锂硫电池的研究已经快速发展了十年,阻碍其应用的关键问题是:正极材料(单质硫)的导电性差;电池循环过程中产生的体积膨胀,导致材料粉化破坏;多硫化物的“穿梭效应”以及一系列的连锁反应。本论文以金属有机骨架(MOFs)材料为造孔剂,聚丙烯腈(PAN)或葡萄糖为碳源,成功制备出一维和三维结构的多孔碳材料,将其作为锂硫电池的载硫材料,以此来提高电极材料的导电性、缓解体积效应和限制多硫化物的溶解扩散。并对上述材料进行了形貌、物相以及比表面积等方面的表征和电化学性能测试分析。本论文的主要研究工作如下:1.以ZIF-8作为模板,以聚丙烯腈(PAN)为碳源,采用静电纺丝法和高温炭化的方法制备了多孔碳纤维(FPC-1)。在0.2 C、0.5 C和1 C电流密度下,得到的初始放电比容量分别为990.7、991.8和561.6 mAh/g,循环100次后比容量分别保持在247.8、243.7、210.3 mAh/g,库伦效率始终保持在98%以上,孔隙率较低是导致其容量衰减快的主要原因。2.针对合成的FPC-1材料孔隙率较低的问题,改进了制备流程,以锌离子的添加量为变量,成功制备了具有较高比表面积和较高孔隙率的多孔碳材料(FPC-2和FPC-3),两种材料对应的比表面积分别为67.8和334.4 m2/g。S/FPC-2和S/FPC-3两种复合材料在0.5 C电流密度下初始放电比容量分别为1016.0和1000.6 mAh/g,循环100次后比容量保持在442.1和434.5 mAh/g,库伦效率保持在99%左右;S/FPC-3材料在2 C电流密度下,首次放电比容量为754.0 mAh/g,循环100次后保持在394.6 mAh/g,相比于S/FPC-1材料电化学稳定性得到了改善。3.选用MOF-5和葡萄糖为化学原料,结合水热法得到了具有高比表面积(2151.9 m2/g)的多孔碳材料(PC)。添加少量的氟化铝(AlF3·3H2O)到PC/S复合材料中,可以有效地提高材料的电化学循环稳定性,并在一定程度上抑制多硫化物的扩散溶解。AlF3·3H2O/PC/S和PC/S复合材料在0.5 C电流密度下,首次放电比容量分别为736.1和787.5 mAh/g,循环500次后比容量保持在487.2和320.9mAh/g;在1 C电流密度下,首次放电比容量分别为1420.4和925.2 mAh/g,AlF3·3H2O/PC/S材料循环800次后仍然具有503.4 mAh/g,而PC/S材料循环500次后放电比容量保持在366.9 mAh/g。
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