二元硫化物/介孔碳复合材料的制备与性能表征研究

作     者：侯向阳 

作者单位：福州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘景东

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：锂硫电池 多硫化锂 竹炭 介孔碳 硫化锰 聚甲基丙烯酸 中间层 

摘      要：单质硫作为二次锂电池的正极材料具有很高的理论容量密度。然而其放电产物易溶于电解液,进而发生自放电反应,致使电池循环性能变差。为了克服上述问题,本论文尝试了以下工作:1、以PVP为结构导向剂和还原剂,醋酸锰作为锰源,单质硫为硫源,采用溶剂热法制备介孔MnS微球。合成的MnS为纤维纤锌矿型晶相,颗粒粒径约为183 nm。以该物质为正极材料组装的电池,恒电流充放电时,首次放电比容量为1253.7 mAh/g,变现出单质硫的放电特征,这可能是因为MnS部分被还原为单质硫造成的。第二次放电比容量为180.5 mAh/g,对应的充电比容量为175.9 mAh/g,20次循环后,比容量为140 mAh/g,表现出较好的可逆性和循环稳定性。2、醋酸锰作为锰源,单质硫为硫源,商用的竹炭(BC)作为载体,通过溶剂热法,合成复合材料MnS@BC;通过热处理得到复合材料S-BC、S-MnS@BC。SEM结果表明:MnS和单质硫可以较好的负载在孔洞里。两种复合材料作为锂硫电池正极时,S-BC电极首次放电比容量为754.8 mAh/g,电极中硫的利用率为40.5%,经过50次循环后,电池的比容量维持在107.0 mAh/g;当S-MnS@BC作为锂硫电池正极时,在相同的放电条件下,首次放电比容量可以达到1346.1 mAh/g,电极中单质硫的利用率高达80.5%,50次循环后,比容量仍可保持在504.0 mAh/g。3、用模板法制备介孔碳(MC),并以之为载体合成S-MC复合材料。。配制质量分数为1%的聚甲基丙烯酸溶液,将上述复合材料S-MC浸泡在配制好的溶液中,放置12h,得到复合材料S-MC@PMA。XRD和SEM分析表明,合成的介孔碳具有二维六方介孔结构,呈现出颗粒状分布。两种复合材料作为锂硫电池正极时,S-MC电极首次放电比容量为928.6 mAh/g,活性物质的利用率为55.5%,50次循环结束后,比容量维持在456.7 mAh/g;当复合材料中负载了 PMA后,以相同的放电条件,首次放电比容量为1447.3 mAh/g,活性物质利用率提高到88.6%,50次循环后,电池的比容量仍然可以保持618.6 mAh/g。4、用浓硫酸在100℃C下碳化滤纸来制得中间层,SEM结果显示,碳化前后维持原来的形貌。以S-MnS@MC复合材料作为正极,添加中间层后,电池的容量保持率从25.6%上升到54.1%,电荷转移电阻从692.2 Ω下降到69.36Ω 优于未加中间层的电池,说明电极可逆性提高了。