镁硫电池隔膜改性及其性能研究

作     者：任宁宁 

作者单位：天津工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张亚彬;董正洪

授予年度：2021年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：镁硫电池 隔膜修饰 穿梭效应 

摘      要：金属镁是一种非常有潜力的多价态电池负极材料。和目前研究较多的金属锂相比较,金属镁作为电池负极具有诸多的优势,如髙的体积比容量(3833m Ah/cm),约为金属锂(2062 m Ah/cm)的两倍;储量丰富,价格便宜,仅为锂的百分之四。更为重要的是,镁在电沉积过程中并不容易产生枝晶形貌,无明显的安全隐患。硫是一种极具前景的转化型正极材料,它的比容量为1672m Ah/g,同样价格低廉。两者匹配的镁硫电池,具有独特的优势:大于3260 Wh/L的理论能量密度。然而,镁硫电池也存在着一些缺陷,包括充放电中间产物多硫化镁的穿梭效应以及硫及其放电产物硫化镁的不导电等,这些问题使得镁硫电池的发展面临着许多技术难题。通过合理设计材料结构对隔膜进行修饰,能够有效地解决上述问题,改善镁硫电池的循环性能。因此,我们主要开展了以下工作:(1)采用水热反应制备得到TiO/rGO复合材料,通过真空抽滤的方式覆于GF隔膜的表面,经真空干燥后得到多功能隔膜。由于Ti O和r GO复合,涂覆隔膜的一侧具有导电性,装配电池时使其与正极紧密结合,从而起到了上集流体的作用。之后,通过对修饰层厚度不同的隔膜进行测试发现,修饰层较薄对电池循环性能的提升并不明显,只有具备一定厚度的修饰层才能够有效地抑制多硫化镁的穿梭,同时作为上集流体为充放电过程中的电化学反应提供额外的反应位点,提高硫的利用率,改善镁硫电池的循环稳定性。(2)通过简易的水热法制备出一种碳球表面负载SnO的复合材料Sn O/C。将其作为涂层材料,组装镁硫电池,在硫正极和和隔膜之间形成多功能插层,在电化学测试过程中表现出优异的循环稳定性和良好的倍率性能。研究表明,极性的Sn O/C插层通过化学吸附和物理阻挡抑制多硫化镁扩散和穿梭。同时,具有导电性的Sn O/C插层也可作为硫电极上集流体,提高电极表面离子和电子的传输,改善正极表面的电化学反应动力速率。