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过渡金属氮化物在锂硫电池正极材料中的应用

赵浩  
【摘要】:随着社会的不断发展,便携电子设备、交通运输以及固定储能电网等对可充电电池的要求越来越高,在过去二十年中被广泛应用的锂离子电池已无法完全满足需求。因此,设计并开发一种高能量密度、低成本的新型二次电池体系成为现阶段相关研究人员的共同目标。作为现阶段最有潜力的二次电池之一,锂硫(Li-S)电池有着非常高的理论比容量(1,675mAh g-1)和能量密度(2,500W h kg-1),有希望成为将来的主流储能电池体系。不仅如此,锂硫电池还有着低成本、低毒性以及环境友好等优点。本文主要研究了过渡金属氮化物在锂硫电池正极材料中的应用,设计并制备了高导电性、高载硫量以及结构稳定的锂硫电池正极复合材料。主要研究内容和结论如下:1、采用氧化锌硬模板法,使用纳米ZnO颗粒在层状V205中造孔,通过NH3还原后得到一种多孔层状氮化钒(PLVN)材料。该材料有着优异的电子和离子传导性能(室温下电导率为1.17× 106Sm-1),高的比表面积(27.8m2g-1)和含硫量(≈70%),并且对多硫化物有着强吸附能力。在0.2C的电流密度下,PLVN-S电极的初始放电容量达到1,314mA h g-1,循环100次后,放电容量保持为903mA h g-1,相对于初始电容量的保持率达68.7%,表现出高的比容量以及优异的循环性能。2、基于一种自支撑的超薄多孔钛板,通过表面氮化在材料表面包覆一层金属氮化物(TiNx),再通过化学液相沉积法在其表面均匀负载上纳米硫颗粒,最终获得SNPT-S复合材料。SNPT-S电极不仅免去了导电剂和粘结剂的使用,而且将硫载体与集流体巧妙地集成为一体,使电极的整体含硫量达到38.7wt.%,相比于普通锂硫电池的硫正极提高20%以上。另外,SNPT-S电极内部的金属钛三维结构提供了稳定的电子传输网络,而同时表面的TiNx层又对多硫化物起到了有效的吸附作用。在0.2C的电流密度下,SNPT-S电极的初始放电容量达到1,346mAh g-1,循环100次后,SNPT-S电极的电容量保持为1,111mA hg-1,相对于初始电容量的保持率达到82.5%,库伦效率超过99.5%,表现出非常优异的电化学循环性能。


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