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《西南石油大学》 2016年
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锂硫电池正极材料及隔膜的研究

李福桥  
【摘要】:以金属锂为负极,硫为正极的锂硫二次电池的能量密度高达2600 Wh/kg,且单质硫的理论比容量为1675 mAh/g,远远超过普通锂电池的5倍以上,仅次于锂-空气二次电池,成为电动汽车及电站储能电池的研究热点。然而,锂硫电池同时存在活性物质利用率比较低,尤其是液态电解质溶解大量的放电产物聚硫化锂,并且在锂电极与硫电极之间扩散穿梭,不断发生氧化-还原“穿梭效应”,导致锂硫电池的容量衰减快、循环寿命短及自放电率大,这也是目前锂硫电池难以商业化的主要问题。针对上述问题,本课题主要围绕其正极材料的合成来展开,并通过改性的隔膜材料对电池性能的影响进行了简单的分析,主要有以下三方面的工作:(1)利用研磨和加热方法制备出性能较好的硫-BP2000复合正极材料,并对单质硫、硫-乙炔黑、硫-BP2000复合材料的晶体结构与微观形貌进行了表征,通过XRD相图表明单质硫与BP2000并没有发生化学反应,两者只是发生了物理结合,并没有产生新的晶型。结合BET、SEM表征,表明通过研磨与热处理方法可以比较均匀的将单质硫颗粒分散到高比表面积、低孔径的BP2000微孔中。通过电化学性能测试分析表明,在0.1C倍率下,电池的初始放电比容量最高达980 mAh/g,随着硫含量在复合材料中比例的提高,其充放电比容量、库仑效率及循环倍率性能都得到了明显的改善和提高。(2)由于锂硫电池硫正极在放电过程中会产生易溶于电解液的锂硫化物,锂硫化物的溶解流失以及形成的“穿梭效应”不仅影响硫正极活性物利用率,而且与锂金属的反应,使循环性能的衰减加剧。因此,为了阻止锂硫化物的溶解流失,进一步抑制穿梭反应,改善锂硫电池的电化学性能,在不同比例的硫-BP2000复合材料中引入LiNO3添加剂,实验结果表明,当LiNO3的含量为1.0wt%时,不同比例的硫-BP2000复合材料其充放电库仑效率都稳定在84%以上,可以明显改善锂硫电池的整体电化学性能。(3)本论文还以硫-BP2000复合材料作为锂硫电池正极材料,采用锂化Nafion离子交换薄膜隔断多硫阴离子,以此消除或减弱由溶解的多硫化锂引起“穿梭效应”;此外,还利用V205层状晶体结构,只允许锂离子嵌入和脱出的特性,在普通电池隔膜表面用溶胶-凝胶技术方法制备薄膜,试图达到阻断电解液中多硫化锂的阴离子。实验结果表明,利用改性的隔膜材料,可以阻止锂硫化物的溶解流失以及抑制充放电过程所形成的的氧化-还原“穿梭效应”,改善电池的电化学性能。并且发现3:1的硫-BP2000复合材料中采用锂化Nafion离子交换薄膜所组装的锂硫电池,其初始放电比容量达到了1031.45 mAh/g,在倍率为0.1C、0.2C下,进行25次循环后其充放电循环稳定性仍然比较高,其容量保持率达到86.8%、82.8%。
【学位授予单位】:西南石油大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TB33;TM912

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1 董震;丁志荣;董文曼;;基于超吸水纤维的电池隔膜的性能研究[J];产业用纺织品;2010年11期
2 ;首条自主产权湿法锂电池隔膜生产线投产[J];中国有色冶金;2013年05期
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