相转化制备复合多孔碳膜在锂硫电池上的应用

作     者：寇伟 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李祥村;徐徜徉

授予年度：2019年

学科分类：0808[工学-电气工程] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 0702[理学-物理学] 

主      题：相转化法 集流体 化学吸附 隔层 锂硫电池 

摘      要：相转化法作为一种传统聚合物膜的制备方法,具有制备过程简单、膜孔结构容易调整、可以大规模合成等优点,经常被用于气膜或超滤膜等膜材料的制备,而对于其在锂硫电池上的应用却很少报道,相转化法制备的膜孔多为非对称结构,具有很高的比表面积,适合作为硫的载体。极性金属化合物对锂硫电池中的放电中间产物多硫化锂具有很强的化学吸附能力,经常被作为电极材料的添加剂,可以增强电池的循环稳定性。本文旨在相转化法的基础上,制备含有不同金属化合物的碳复合材料,探究其作为锂硫电池的电极或隔层时的电化学性能。首先采用相转化法制备了C/SiO复合膜。配制含有20 wt.%纳米SiO的聚丙烯腈与N,N-二甲基甲酰胺混合的铸膜液,以去离子水作为相转化过程的凝固浴,发生溶剂-非溶剂交换和相分离,形成具有非对称结构的多孔复合膜,并碳化负载硫后,形成C/SiO-S电极。该电极与不含纳米SiO的纯碳膜和传统浆料刮涂的Al-S两种电极相比,具有优越的电化学稳定性,硫含量可以调整在1.5-3.0 mg cm。其中,硫含量为1.5 mg cm的C/SiO-S电极在初始活化充放电容量可以达到1229 mA h g,循环200圈之后的库伦效率可达到98.7%,比容量仍保持在717 mA h g,每圈的容量衰减速率为0.21%。对于硫含量为2.8 mg cm的C/SiO-S电极,电流密度为0.2 C下的初始容量和循环200圈容量分别为1089和699 mA h g。并且通过DFT模拟和XPS分析等手段论证了纳米SiO对多硫化锂的吸附作用。其次,通过改变铸膜液的添加剂成分,在膜液中添加可溶性金属盐,金属盐离子会增大铸膜液的黏度,并在相转化时在膜液内产生渗透压差,膜液的热力学和动力学性质发生变化,对相转化过程膜孔结构改变明显。尝试加入的FeCl·6HO既改变了膜液的性质,同时又可作为FeC的前驱体,在膜碳化并载硫之后,形成C/FeC-S电极,在电流密度为0.5 C下,硫含量分别为1.6和3.0 mg cm的C/FeC-S电极,在循环100圈后比容量可以达到719.7和615.1 mA h g,并且分别保持98.9%和96.2%的库伦效率。最后,本文探究了相转化法制备的膜在电池隔层上的应用,通过在膜液中加入高含量高导电性碳纳米管,聚丙烯腈作为相转化过程的粘结剂和成孔的主要材料,制备了高比表面积高孔隙率的C/CNT多孔隔层,将其添加至正极硫和隔膜之间,具有抑制多硫化锂穿梭的良好作用。其初始放电容量可以达到1381.7 mA h g,循环200圈之后容量缓慢衰减至742 mA h g。电极具有很高的倍率性能,在2 C下的比容量为853.1 mA h g。