层级孔二维碳材料的构筑及其在锂硫电池中的应用

作     者：范晓静 

作者单位：合肥工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘节华

授予年度：2018年

学科分类：0808[工学-电气工程] 081704[工学-应用化学] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0703[理学-化学] 070301[理学-无机化学] 

主      题：锂硫电池 层级孔 二维碳 多硫化物 化学吸附 

摘      要：人们为追求清洁的、可持续的能源来替代传统石油等不可再生的能源,电化学储能系统已备受关注。但锂离子电池因较低的能量密度已不能满足迅速发展的市场的需求。锂硫电池因其超高的理论比容量(1675 mAh/g)和超高的理论能量密度(2600 Wh/kg)而在下一代的电化学储能系统广受青睐。但锂硫电池因快速的容量衰减而未能被应用到市场。为此,研究者探究各种方法来将多硫化物“束缚在正极,进而削弱穿梭效应。本文中,我们通过制备层级孔二维碳材料来提高锂硫电池的电化学性能。首先,我们采用廉价的聚丙烯酸钠原料制备了高比表面积的层级孔二维碳材料,多孔结构不仅能利用物理作用阻碍多硫化物的扩散,又利用还原的氧化石墨烯包覆碳硫复合物,石墨烯上存在的含氧官能团可通过化学作用与多硫化物结合,可以阻碍多硫化物的穿梭,改善容量的衰减程度。故在1C的电流密度下,还原氧化石墨烯包覆碳硫复合物首次放电比容量达1074 mAh/g。再者,我们用葡萄糖与三聚氰胺提供碳源与氮源、用氯化钠作为模板,硝酸铁为催化剂制备了氮掺杂的碳纳米片。氮原子的掺杂能够通过化学作用与多硫化物之间形成LiSLi---N键,抑制多硫化物从正极流出。因此与未掺杂的材料相比,氮原子掺杂有效改善了电池的电化学性能。最后我们利用固相高温煅烧法一步合成出一种金属氧化物掺杂的多孔碳材料,金属氧化物MnO是极其不稳定的,而经过碳包覆后的MnO稳定存在在材料中。研究采用具有MnO的多孔碳作为载硫体,不仅可以利用金属氧化物的极性优势化学结合极性多硫化物来抑制其穿梭,同时其层级孔特点利用物理作用缓解多硫化物向电解液中扩散,较少了单质硫的损失。制备含有MnO多孔碳材料为今后锂硫电池的发展奠定了基础。