多孔生物质碳的制备及在锂-硫电池正极中的研究与应用

来源 :南京航空航天大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jonquil1981
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伴随着科技的不断发展,人类对能源的需求越来越旺盛,储能器件也愈发得以被看重。由于理论容量的限制,锂离子电池的发展逐渐走向瓶颈。锂-硫电池,一种新型二次电池,有着高超的理论比容量(1675mAh g-1)和能量密度(2600Wh kg-1),并且成本低廉,环境友好,故而受到了科学工作者们的广泛关注。然而锂-硫电池受制于其正极低下的导电性,以及电化学反应过程中间产物溶解于电解液中并自发反应,即“穿梭效应”的问题。解决这些问题的主要关键是寻找合适的多孔碳材料作为基体以提高硫正极导电性和抑制“穿梭效应”问题。生物质多孔碳材料以其成本低廉,环境友好等优点,被广泛用于作为锂-硫电池正极基体。基于上述背景,本文主要将报道采用不同生物质前驱通过不同方法制备出的生物质多孔碳材料作为基体与硫形成复合材料,研究其在锂-硫电池中的电化学性能。  以大豆壳为前驱,通过氢氧化钾活化法制备的生物质衍生多级孔道碳材料,通过SEM、TEM和BET测试表明该材料有着丰富的多级孔道结构,其比表面积高达1232 m2 g-1,总孔容为0.54 cm3 g-1。通过热处理法与硫复合后形成了硫/多孔碳复合材料,硫负载量高达63.7%。通过电化学性能测试显示,硫/多孔碳复合材料在0.5 C倍率下有着高达1231mAh g-1的首圈放电比容量。  以橙子皮为前驱,通过氯化锌法活化制备的OGMC材料,有着合成便捷,合成设备要求低的优点。该材料富含介孔,的比表面积高达1508m2 g-1。硫复合制备出S/OGMC后再进行聚吡咯包覆制得S/OGMC/PPy。通过热重分析得知S/OGMC/PPy复合材料中硫的含量达71.4%。电化学测试表明,S/OGMC/PPy在0.5C的倍率下首圈放电比容量高达1427 mAh g-1,200圈循环后仍剩余近700 mAh g-1的容量。而S/OGMC和纯硫的首圈放电容量分别只有1338和1127mAh g-1,200圈循环后剩余容量只有470 mAh g-1和260 mAh g-1。实验结果表明聚吡咯包覆对锂-硫电池正极材料的性能有着显著提升。  为了降低活化试剂造成的污染,并且降低生物质原料收集的成本,以淀粉为前驱体,通过自组装法合成了新型介孔碳材料(Starbons)。SEM、TEM和BET测试证明Starbons材料的孔道结构不亚于OGMC材料,其比表面积高达1750m2 g-1。通过溶液法填硫后制得S/Starbons材料,再进行聚吡咯包覆得S/Starbons/PPy复合材料,载硫量为70.1%。组装电池后观测到,S/Starbons/PPy复合材料的电化学性能优异,不劣于S/OGMC/PPy材料,在0.5C下首圈放电比容量为1395mAh g-1且经过200圈循环后仍能保持789 mAh g-1的容量。经过40圈0.1、0.2、0.5、1C倍率测试后回到0.1C测试时容量仍能保持890 mAh g-1,超过了首次放电容量的70%,倍率性能优异。
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