锂硫二次电池性能研究

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锂硫电池具有能量密度高、硫资源丰富、成本低等优点,在未来的二次电源发展中最具有应用优势,但活性物质利用率低和循环性能差一直制约着锂硫电池的进一步发展和应用。本文主要研究了锂硫二次电池的硫正极复合材料并对电解液和粘结剂对电池性能的影响进行了简单分析。本论文通过加热升华硫和一系列基体碳材料制备了四种硫碳复合正极材料,并对这些基体碳材料的比表面积、孔容、表面形貌和所组装电池的电化学性能进行了进一步的研究。结果表明由高比表面积、高孔容的Bp2000超级导电炭黑所制备的硫碳复合材料初次放电比容量最高达1385.1mAh/g,在室温下经过三十次循环之后比容量稳定在1080.2mAh/g,保持率为78%。由于硫正极在放电过程中会产生易溶于电解液的聚硫化物,聚硫化物流失不仅使正极活性物质减少,而且还和负极金属锂反应,使电解液粘度上升,电阻剧增,加剧循环性能的衰减。因此在硫碳复合材料中添加适量的γ-三氧化二铝将有助于阻止聚硫化物的流失。实验结果表明,在γ-三氧化二铝的添加量为1.5%时,电池的性能最佳。本论文还设计了一种用电解Na2S制备硫碳复合材料的方法,通过本方法可在室温条件下制备锂硫电池含硫正极材料。用碳毡作为电极片所制备的复合电极在放电电流密度为168mA/g时复合材料首次放电比容量高达979.7mAh/g,硫的利用率为58.49%。分析原因可能是电解法制得的单质硫粒径小,更容易使植入具有空间链状结构的乙炔黑的纳米孔径中,从而提高了硫电极的电化学活性物质的利用率,改善了电池的循环性能,且该方法简单易行,制备周期短。本论文还对LiPF6-EC/DMC,和LiTFSI-DOL/DME电解液,PTFE和明胶粘结剂进行了对比,结果表明,LiPF6-EC/DMC电解液性能较稳定,而LiTFSI–DOL/DME电解液由于能较好的溶解放电过程中生成的聚硫化物,所以有效地提高了前几次的循环比容量,但是当聚硫化物溶解到一定程度后会造成比容量的骤然衰减。明胶粘结剂提高了电极的粘结性和分散性,降低了电解液对极片的阻力,提高了电池的循环性能。
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