收藏本站
《南京大学》 2019年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

碳基纳米笼本征催化与限域协同促进的高性能锂硫电池正极材料的设计、性能及机制

杜玲玉  
【摘要】:锂硫电池具有能量密度高、成本低等突出优点,是最具应用前景的下一代二次电池体系之一。然而,锂硫电池的硫正极存在硫和放电产物硫化锂的导电性差、中间物种多硫化锂的溶解和穿梭效应显著、多硫化锂转化反应的动力学过程缓慢、循环过程中硫物种的体积变化大等问题,导致锂硫电池仍面临硫利用率低、容量衰减快、功率密度有限、面积硫载量与面积比容量低等挑战。本文拟从引入催化与限域协同促进作用的角度解决上述难题,基于氮掺杂、硫掺杂及氮磷共掺杂碳纳米笼设计构建出新型硫正极,开展电池性能及作用机制研究,旨在获得高性能锂硫电池正极材料。通过研究,取得了如下重要进展:1.以多功能氮掺杂碳纳米笼(hNCNC)作为硫载体和隔膜修饰层构建了高功率长寿命的锂硫电池。通过电催化实验和密度泛函理论计算,揭示了氮掺杂sp2碳具有高效催化转化多硫化锂的功能。将硫填充于hNCNC内腔,发挥纳米笼的物理限域、氮掺杂sp2碳的化学吸附及电催化转化的高效协同,再结合三维分级结构促进的快速电荷转移功能,实现了多硫化锂流畅的“吸附”-“转化”过程,有效地抑制了穿梭效应和极化效应,实现了高功率长寿命的电池性能。对于硫面积载量为0.8 mg cm-2的正极,在超高电流密度20 A g-1时比容量达到539 mAh g-1,在10 A g-1循环1000次后比容量仍保留438 mAh g-1,平均每圈衰减率为0.05%。当硫面积载量增加至3 mg cm-2时,在3 Ag-1下仍可获得605 mAh g-1的高比容量。该研究不仅揭示了氮掺杂sp2碳除公认的“化学吸附”功能之外的“催化转化”新功能,还展示了通过采用具有电催化活性的碳基载体来获得高功率长寿命锂硫电池的有效策略。2.利用异质原子掺杂碳化学吸附多硫化锂以抑制其扩散是改善锂硫电池性能的有效途径。然而,我们注意到硫掺杂碳对多硫化锂的吸附能力弱于于未掺杂碳,但仍然能增强电池性能。这表明硫掺杂碳对锂硫电池性能的增强机制不是源于化学吸附,尚有待深入研究。本文将硫包裹在硫掺杂碳纳米笼(S@hSCNC)中,作为正极材料构建的锂硫电池展现出优于未掺杂碳对应电池的性能。通过实验和理论计算揭示了硫掺杂碳对电池性能的增强机制:循环伏安测试结果中,S@hSCNC电池具有较高的还原起始电位和较低的氧化起始电位,证实了 hSCNC对多硫化锂转化反应具有催化作用,从而增强了反应动力学过程、提高了硫物种的转化效率。硫掺杂碳纳米笼集成了纳米笼的物理限域作用和硫掺杂碳的催化转化功能,协同促进了锂硫电池性能,在高电流密度10 A g-1循环600次后仍可释放528 mAh g-1的比容量。该研究为硫掺杂碳基载体的设计和性能优化提供了思想基础。3.提高硫面积载量是获得高能量密度锂硫电池的前提,然而随着电极厚度增加,电荷传输动力学与电化学反应动力学过程受到抑制,导致硫利用率降低、比容量下降,难以满足锂硫电池的应用要求。考虑到氮磷共掺杂碳对多硫化锂具有双重吸附与催化转化作用,本文在通过原位还原氧化石墨烯(GO)构筑高硫面积载量的自支撑整体电极的过程中引入氮磷共掺杂碳纳米笼(hNPCNC),制备出具有高硫面积载量的自支撑电极材料(S@hNPCNC@rGO),展示出独特优势:1)hNPCNC将硫限域在纳米笼内,通过协同吸附与催化功能有效促进多硫化锂的吸附与转化;2)rGO进一步阻挡多硫化锂流失,保证多硫化锂在三维网络结构内循环;3)多孔结构充当电解液储藏库,充分浸润活性材料,提高硫物种的利用率;4)不使用导电剂、粘结剂与集流体,简化了电极制备工艺,有利于提高全电池的能量密度。当硫面积载量为6 mg cm-2时,该电极在循环250次后仍保留4.2 mAh cm-2的高面积比容量,处于氮磷共掺杂碳基硫正极材料的领先水平,优于传统锂离子电池的性能,为推进锂硫电池实用化进程提供了新的思路。
【学位授予单位】:南京大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:O643.36;TM912

手机知网App
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 ;科技部发布2016年度中国科学十大进展[J];科学家;2017年04期
2 Rudo1f Holze,常云峰,陈金玲;作为电催化剂的炭在电化学能转化中的应用[J];新型碳材料;1987年02期
3 D.E.Brown;M.N.Mahmood;M.C.M.Man;A.K.Turner;林文修;;碱性溶液中H_2析出反应的低过电位过渡金属合金电催化剂的制备和特性[J];氯碱工业;1987年06期
4 林文修,林性如,锜言技;电催化剂的制备和特性的研究——作为MnO_2和氯碱电解制备的阴极[J];无机盐工业;1988年04期
5 姜艳霞;田娜;周志有;陈声培;孙世刚;;纳米材料电催化进展——电催化剂表面结构调控与性能[J];电化学;2009年04期
6 李美霞,林维明;关于电催化剂活性问题的探讨[J];化学工程师;1998年03期
7 刘明义,毛宗强,谢晓峰,张萍;添加剂对直接甲醇燃料电池性能的影响[J];电源技术;2002年04期
8 曾礼娜;;电催化剂的表面结构效应、设计合成和反应机理研究[J];厦门大学学报(自然科学版);2014年02期
9 唐志诚;吕功煊;;直接甲醇燃料电池阳极电催化剂[J];化学进展;2007年09期
10 玄翠娟;王杰;朱静;王得丽;;基于金属有机框架化合物纳米电催化剂的研究进展[J];物理化学学报;2017年01期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 宋玉江;;燃料电池电催化剂的评价标准及设计原则[A];中国化学会第30届学术年会摘要集-第四十二分会:能源纳米材料物理化学[C];2016年
2 马媛媛;闫刚;张陆南;高雅;于飞洋;王永慧;谭华桥;李阳光;;基于多酸分子平台设计构建新型电催化剂用于析氢反应研究[A];“一带一路,引领西部发展”——2017年中西部地区无机化学化工学术研讨会论文摘要[C];2017年
3 王双印;;电催化剂的表面调控:缺陷化学[A];第十四届固态化学与无机合成学术会议论文摘要集[C];2016年
4 赵莹莹;杨文胜;;Pd/TiO_2-graphene电催化剂的制备及其性能研究[A];第十四届全国青年催化学术会议会议论文集[C];2013年
5 王双印;;电催化剂的表面调控:缺陷化学[A];中国化学会第30届学术年会摘要集-第三十分会:化学电源[C];2016年
6 王成名;熊宇杰;;燃料电池反应高效电催化剂的结构设计[A];中国化学会第30届学术年会摘要集-第二十九分会:电化学材料[C];2016年
7 唐凯凯;王官达;邬素月;李林轩;冯守华;刘哲林;赵博;;杂多酸协助的直接甲醇燃料电池阳极电催化剂的制备及性质研究[A];第十四届固态化学与无机合成学术会议论文摘要集[C];2016年
8 刘晓为;索春光;张宇峰;唐鼎;;微型直接甲醇燃料电池用电催化剂的制备及性能[A];第十三次全国电化学会议论文摘要集(上集)[C];2005年
9 代小平;杜康黎;李展召;;硫化钼电催化剂的结构调控及其析氢性能研究[A];第十一届全国环境催化与环境材料学术会议论文集[C];2018年
10 曾程初;陆楠宁;;三芳基咪唑电催化剂的合成、应用及其电极反应动力学[A];中国化学会第九届全国有机化学学术会议论文摘要集(2)[C];2015年
中国重要报纸全文数据库 前4条
1 本报记者 罗阿华 通讯员 罗威;电催化剂设计:开通反应直通车[N];中国化工报;2014年
2 通讯员 范琼 记者 王磊;新型电催化剂可高效清洁转化二氧化碳[N];中国青年报;2016年
3 记者 刘万生 通讯员 李爱龙 韩洪宪;中科院大连化物所 研发出强酸条件下稳定高效电催化剂[N];中国科学报;2019年
4 记者 王文嫣;“燃烧”吧,二氧化碳[N];上海证券报;2016年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 杜玲玉;碳基纳米笼本征催化与限域协同促进的高性能锂硫电池正极材料的设计、性能及机制[D];南京大学;2019年
2 王磊;杂原子掺杂碳电催化剂的制备及其锌—空电池性能研究[D];湖南大学;2018年
3 程亚飞;纳米电催化剂的设计、制备及其性能的研究[D];苏州大学;2018年
4 刘国强;高效过渡金属电催化剂的制备及其水分解和氮还原性能研究[D];中国科学技术大学;2018年
5 张志琦;基于碳基纳米笼的新型电催化剂的构建及能源转化性能研究[D];南京大学;2018年
6 周清稳;集成电极/电催化剂设计、制备及电化学性能研究[D];南京大学;2018年
7 周秋生;过渡元素及生物质碳基电催化剂的可控制备及其电催化性能的研究[D];华南理工大学;2018年
8 尹培群;镍钴基电催化剂的制备及氧电极催化性能研究[D];中国科学技术大学;2017年
9 苏建伟;基于类普鲁士蓝前驱体制备电催化剂及其在碱性电解水中的应用[D];中国科学技术大学;2017年
10 杨佳;基于导电高分子组装体的碳基电催化剂设计、合成及性能研究[D];中国科学技术大学;2018年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 胡陈诚;硫化钴/氮、硫共掺杂碳基双功能氧电催化剂的结构构筑及性能研究[D];华中科技大学;2018年
2 彭杏兰;石墨烯载PtCu系列电催化剂的制备及其对甲醇电催化氧化性能的研究[D];广西师范大学;2015年
3 韩业创;基于3d过渡金属氢氧化物的电催化剂表界面设计与活性位点调控研究[D];中国科学技术大学;2018年
4 张雅甜;具有多孔纳米组装结构的钴(镍)基电催化剂的可控合成及其性能[D];河南师范大学;2018年
5 董银娟;硒功能化碳载体负载贵金属应用于小分子电催化氧化研究[D];兰州交通大学;2018年
6 房立;基于金属有机框架纳米复合结构电催化剂的合成及其性能研究[D];河南师范大学;2018年
7 高攀;直接甲醇燃料电池阴极氧还原非铂基催化剂的研究[D];大连交通大学;2016年
8 唐堂;高效钴基析氧电催化剂的可控构筑及性能调控[D];安徽师范大学;2018年
9 覃韦炜;钴钒铁钼基金属化合物电催化剂的制备及其电解水性能的研究[D];北京化工大学;2018年
10 马贤杰;电沉积制备过渡金属催化剂及其电催化分解水性能[D];北京化工大学;2018年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026