过渡金属化合物的设计、制备及其在锂硫电池中的应用

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便携式电子设备及电动汽车对电池的续航能力要求越来越高,但当前商业化锂离子电池受正负极“脱嵌锂”材料理论比容量的限制,其能量密度通常低于300Wh/kg,难以满足现代社会发展的需求,故高能量密度电池的开发愈发重要。锂硫电池凭其高理论比能量(2600 Wh/kg)、低成本、环境友好等特点,被认为是最有前途的下一代储能系统,受到国内外学术界和企业界的广泛关注。然而,硫及硫化锂(Li2S)的弱导电性致使电子传递速率及电化学反应效率降低;充放电过程中形成的多硫化物可溶于电解液,易穿梭到负极,使活性物质硫损失、电池寿命缩短。为解决上述问题,本论文从正极改性的角度出发,研究开发了能显著改善Li-S电池充放电比容量、倍率及循环稳定性的新型导电基体材料(碳复合过渡金属氧化物、硫化物、氮化物等),为Li-S电池的研究提供了可靠的实验数据和理论指导。取得的主要结果如下:(1)LiTi2(PO42.88F0.12的制备及其性能研究:采用溶胶凝胶法,制备了导电炭(SP)与磷酸钛锂(LTP-F0.12)复合的硫基体材料。基于LTP-F0.12的高离子传导性,使电池放电比容量提高了200 mAh/g(与SP为硫载体相比);(2)NiCo2S4的制备及其性能研究:利用柯肯达尔效应,制备了空心结构的NiCo2S4,复合SP后,提高了电池的倍率性能,5 C充放电,比容量可达到580 mAh/g;(3)Materials of Institute Lavoisier-53(MIL-53)衍生的Fe3O4@C的制备及其性能研究:以MIL-53为自牺牲模板,构筑Fe3O4原位嵌入式多孔碳复合SP作为硫基体材料。1 C充放电,300次循环后每圈次衰减率仅为0.002%;(4)Prussian Blue(PB)衍生的FeN3@C的制备及其性能研究:以PB为模板,构筑“Yolk-Shell”结构FeN3@C作为硫基体材料。1 C时电池比容量为690 mAh/g,500次循环后,容量保持率为86%。
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