高负载量硫正极的厚电极设计和水系解耦电池研究

作     者：王鹭婧 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杜菲

授予年度：2024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：解耦电池 锌离子电池 碳纳米管 厚电极膜 电极结构设计 

摘      要：发展能源绿色化、利用可再生能源是推动能源供给革命,实现双碳战略目标的必由之路。然而,诸如风能、太阳能、潮汐能等可再生能源具有地域性、间歇性和周期性等特征,建立安全、高效、经济的储能系统将其存储和再分配是新能源革命中的关键环节。商用有机系锂离子电池由于其高能量密度、长循环寿命和低自放电性能等优势,在便携式设备、汽车和储能系统等领域得到广泛应用。然而,锂离子电池成本高、回收难度大、有机电解液具有较大毒性等缺陷限制了锂离子电池的进一步发展。与之相比,水系电池具有低成本、高安全性、高离子电导率、环境友好等优势,使得水系电池有望成为未来大规模储能技术的有力竞争者。 在水系电池电极材料中,硫基正极具有高容量(理论容量为3350 mAh g-1)、低损耗、低毒性和低回收能耗等优势,被视为理想的水系电池正极材料。然而,由于硫单质电子电导率较低(5×10-30 S cm-1),电极的制备通常需要添加大量的低密度碳基导电添加剂,这严重降低了电池的质量和体积能量密度。为此,提升活性物质含量并制备厚电极膜,成为了实现电极高面负载和高能量密度关键。然而,传统空气干燥方法制备的厚电极膜往往具有较长的内部离子传输路径,导致了活性材料利用率降低、电池循环性能下降等问题。另一方面,水系电解液电化学稳定性差（～1.23 V）,副反应严重,使得水系电池的能量密度和循环寿命难以满足规模储能的需求。同时Cu-S电池中,Cu负极较高的氧化还原电位降低了电池的工作电压,加剧了电池低能量密度的问题。针对以上问题,我们从电极材料制备和Zn负极解耦两方面来提高电池的能量密度。 1.通过熔融扩散法将70%的硫含量注入Ketjen black（KB）中。系统研究了材料的物理性质和电化学性能,我们发现具有支链结构的KB具有较高的比表面积和电子导电率,有利于提升电化学反应动力学;同时较高的孔容有利于缓解放电过程中硫化物产生带来的体积膨胀,从而实现电池容量和循环寿命的双重提升。将硫-碳复合材料与少量的单壁碳纳米管（SWCNTs）混合,通过冷冻干燥附加磁场法在不加入聚合物粘合剂的条件下制备电极,将电极膜活性物质负载量提高至40 mg cm-2,极片在Cu-S电池体系下表现出良好的倍率性能和循环性能。 2.通过S/Cu2S正极和Zn/Zn（OH）42-负极的耦合,实现了电池工作电压的大幅度提升,获得了高达3988 Whkg-1（基于硫质量）的可逆能量密度。在提高电池工作电压的同时,也对离子交换膜进行了优化处理。通过设计新的离子交换膜,在降低了离子交换膜合成成本的同时,提高了膜的钠离子选择性,实现了电池300次的稳定循环。