【摘 要】
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新能源电池在电动船舶中的应用在多数情况下,船舶电力推进系统都是内燃机驱动发电机组为系统供电。由于海洋环境复杂多变,负载是变化的,当负载偏离最佳负荷点时,燃油就会得不到充分燃烧,燃油的利用率随之大幅度下降,同时会产生大量的氮氧化物和硫氧化物,对环境造成污染。电池能量存储技术是解决这一问题的办法之一。另外,随着船舶污染物排放标准不断提高,特别是为了响应“碳中和与碳达峰”倡议,发展新型绿色能源作为船舶动
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新能源电池在电动船舶中的应用在多数情况下,船舶电力推进系统都是内燃机驱动发电机组为系统供电。由于海洋环境复杂多变,负载是变化的,当负载偏离最佳负荷点时,燃油就会得不到充分燃烧,燃油的利用率随之大幅度下降,同时会产生大量的氮氧化物和硫氧化物,对环境造成污染。电池能量存储技术是解决这一问题的办法之一。另外,随着船舶污染物排放标准不断提高,特别是为了响应“碳中和与碳达峰”倡议,发展新型绿色能源作为船舶动力已经势在必行。锂硫电池作为后锂离子电池储能器件,其以相对较低的价格,较高的能量密度,逐渐成为各方关注的热点。锂硫电池具有超高的能量密度(2 600 Wh kg-1)和高理论比容量(1 675 m Ah g-1),还具有优异的环境友好性、低廉的硫材料成本的优点,这些优点使锂硫电池成为下一代最具潜力的动力电池之一。但锂硫电池也存在许多亟需解决的问题:锂硫电池正极活性物质导电性差、多硫化物（Li2Sn）的穿梭效应及氧化还原反应率缓慢,这些问题不仅导致锂硫电池循环性能较差,还有巨大的安全隐患问题,从而阻碍了锂硫电池发展及其商业化进程。本文从锂硫电池的循环性能、电绝缘性、穿梭效应及安全问题出发,围绕正极材料制备、调控性能表征等方面进行了探索性研究,实现锂硫电池电化学性能的综合提升。主要研究内容和结果如下:1.Ti3C2制备:Ti3C2材料比表面积大、表面活性位点多,不但可以增加活性物质Li2S的负载量,还能充分起到吸附催化的效果。另外,Ti3C2材料还具有类金属导电性,可促进电池性能的提升。通过改变刻蚀温度、刻蚀时间、刻蚀液种类和刻蚀方法,探究出二维MXene材料的三种制备方法,氟盐刻蚀法、反应釜法和HF刻蚀法。2.Ti3C2-Li2S材料制备及电池测试:通过超声、真空溶解再析出等实验方法,制备了Ti3C2-Li2S正极锂硫电池,研究了该电池的循环特性、容量特性等电化学性能。Ti3C2-Li2S在100 m A g-1电流密度下获得了484 m Ah g-1的初始放电比容量,100次循环后容量衰减至300 m Ah g-1,平均每圈衰减率为0.32%,优于C-Li2S每圈0.45%的容量衰减率。3.Ti3C2/Ti O2-Li2S材料制备及电池测试:通过水热反应在Ti3C2表面原位生长Ti O2,因为氧化物与Li2Sn之间存在较强的路易斯酸-碱吸附作用,所以Ti O2对Li2Sn的扩散不仅有物理限制作用,且Ti O2还可以通过锂-氧键合作用抑制长链Li2Sn的溶解,从而确保较高的比容量。Li2S与Ti O2（110）晶面之间的键能强度≥2.18 e V,所以Ti O2可更好地与Li2S结合,提高了Li2S的利用率。Ti3C2/Ti O2-Li2S首圈容量为749.3 m Ah g-1,100次循环后容量衰减至495.8 m Ah g-1,平均每圈衰减率为0.34%。Ti3C2/Ti O2-Li2S容量衰减率与Ti3C2-Li2S持平,但容量超出Ti3C2-Li2S。4.N-Ti3C2/Ti O2-Li2S材料制备及电池测试:在Ti3C2/Ti O2基础上,通过尿素对材料进行氮掺杂制备N-Ti3C2/Ti O2。氮元素的掺杂不仅提高了N-Ti3C2/Ti O2对Li2Sn的吸附固定能力,而且还显著促进了Li2Sn的反应动力学,使得Li2Sn的穿梭效应进一步得到抑制,从而降低了电池的容量衰减率。N-Ti3C2/Ti O2-Li2S在100 m A g-1电流密度时容量达到773 m Ah g-1,循环性能测试结果表明,平均每圈容量衰减率仅为0.306%。不仅电池容量有所提升,且循环稳定性也明显提高。通过本文研究,Ti3C2、Ti3C2/Ti O2和N-Ti3C2/Ti O2材料对Li2Sn均有化学吸附作用,且吸附能力依次提升,因此电池容量和循环稳定性逐渐提高。其中,N-Ti3C2/Ti O2复合正极材料的综合性能最佳,该方法为锂硫电池正极材料的研究提供了一种新思路。
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