锂硫电池正极材料的制备及电化学性能的研究

【摘要】相比于一般的锂离子二次电池,锂硫电池具有超高的比容量、低成本、低毒且易回收等优势,使其在电动汽车、储备电源及航空航天等领域具有诱人的应用前景。单质硫因具有很高的能量密度、丰富的自然资源和环境友好等多种优势,成为下一代锂电池中最有发展前景的正极材料之一。但是单质硫及其放电产物导电性差,易溶于有机溶剂,使得锂-硫电池正极活性物质利用率低、循环性能差。改进的方法虽然很多,但是目前许多材料的制备过程较为复杂,不利于大规模的操作。本文设计了两种简单的方法来制备复合材料：一种是微波法制备膨胀石墨-硫复合材料；另一种是水热法制备三维石墨烯-硫复合材料。并采用XRD、SEM、TGA、元素分析等手段比较系统地对复合材料进行了表征。探索其作为锂电池正极材料的可行性。并分别把以上方法制备的复合材料做成正极组装成电池进行研究。采用微波法制备了膨胀石墨-硫复合材料。分别从两个方面进行了研究。首先我们研究了同一比例下,不同微波时间对材料性能的影响。结果表明,通过控制微波时间可以控制硫的含量。当微波时间为0.5min时,硫含量最高,硫颗粒分布较均匀,硫颗粒的直径在100-400nm范围内,且无明显团聚现象。组装成电池后具有最高的放电比容量650mAhg-1。其次我们又研究了在同一微波时间下,不同比例的影响。结果表明,通过控制硫和膨胀石墨的比例可以控制硫的含量及硫颗粒的大小。当微波时间为2min,二者的质量比为10：1时,我们可以得到相对均匀的硫颗粒。硫的含量和硫颗粒的大小在锂硫电池中是影响容量的重要因素。当硫和膨胀石墨的质量比为10：1时,组装成电池后在0.1C放电速率下具有最高的放电容量1020mAhg-1。我们成功的通过简单的一步法用水热还原氧化石墨烯及与从硫脲(硫代硫酸钠)原位沉积的纳米硫颗粒一起通过自组装的方式制备了三维石墨烯-硫复合材料。我们所制备的石墨烯-硫复合材料可以切成小圆片直接用作锂硫电池的电极材料,并且不需要集流体,粘结剂以及导电添加剂。石墨烯和硫通过石墨烯上的含氧官能团紧密的结合在一起,减轻了中间产物多硫化物向电解液中的溶解,提高电池的电化学性能。三维石墨烯具有复杂的网络结构、丰富的孔结构,可以提供电子的传输通道,也可以抑制多硫聚物向电解液中溶解。研究结果表明,没有经过研磨的电极材料与经过研磨的电极材料相比,表现出优异的电化学性能：较高的比容量(1585mAhg-1),较好的倍率性能以及相对稳定的循环稳定性。
【作者】杨志；
【导师】朱福良；
【作者基本信息】兰州理工大学，有色金属冶金，2014，硕士
【关键词】锂硫电池；正极材料；复合材料；单质硫；微波；水热；

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