锂硫电池正极材料的制备及性能研究

作     者：郝豫宝 

作者单位：太原科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张敏刚

授予年度：2017年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：锂硫电池 硫/碳复合材料 不同配比 机械球磨法 热复合法 

摘      要：单质硫的理论比能量为2600Wh/kg,原料廉价易得,对环境友好,非常有希望成为高储能锂电池体系的正极材料。但是,单质硫作为锂硫电池的正极材料具有一定的限制性,其一,单质硫的电子离子绝缘性使其电化学性能表现较弱;其二,电池在放电过程中产生多硫化物并且多硫化物易溶于电解液,引发“穿梭效应,使活性物质流失,锂硫电池循环性能变差。为将以上性能改善,本文研究了活性材料、导电剂、粘结剂的不同比例对电池性能的影响。将升华硫与乙炔黑按质量比为7:3,通过机械球磨法制得硫/碳复合材料,作为活性材料,乙炔黑作为导电剂,聚偏氟乙烯(PVDF)作为粘结剂,配制了添加剂五种不同配比的正极材料。结果表明,在0.1 C放电倍率下,这五种不同配比的电池中,7:1:2配比的电池首次放电比容量达1019.0 mAh/g,100次循环后比容量为547.2 mAh/g,容量保持率为53.7%,具有较好的综合性能。硫/碳复合材料的形貌受到制备方法的影响。机械球磨只能实现纳米碳和大颗粒硫的简单混合,硫颗粒粒径在10μm以上,颗粒间距比较大。热复合能使硫均匀地分布在纳米碳颗粒的微孔和颗粒间隙内,获得粒径小、分散度较高的硫/碳复合材料,颗粒间距变小,电荷转移阻抗减小,因而会表现出较好的电化学性能。机械球磨法中Nd2O3掺杂量为5wt%时在0.1C放电倍率下,首次放电比容量为1002.4 mAh/g,100次循环后比容量为782.0 mAh/g,比容量保持率为78.0%,Nd2O3掺杂量为5wt%时效果最好。CeO2、TiO2因其较弱的吸附力,而且导电性较差,对电池性能的改善效果不是很理想。与机械球磨法相比,热复合方法制备正极材料是一种效果良好而比较简单的方法。热复合法中Nd2O3掺杂量为5wt%时在0.1C放电倍率下,首次放电比容量为1222.4mAh/g,100次循环后比容量为1002.0 mAh/g,容量保持率为81.9%。Nd2O3掺杂量为5wt%时效果最好,与机械球磨法一致。因为Nd2O3对硫有较强的吸附作用,可以将硫紧紧地吸附在碳的周围,形成良好的导电网络,大大减小了锂离子的传输阻力,增大电池比容量;另外,对多硫化物的强吸附力减少了其在电解液中的溶解,提高了硫电极的循环稳定性。