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基于PVP制備硫化鋰/碳復(fù)合材料作為鋰硫電池正極材料

發(fā)布時(shí)間：2020.01.08

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鋰硫電池以硫?yàn)檎龢O時(shí),其理論比容量為1672 mAh/g,但是以硫?yàn)檎龢O制備的鋰硫電池目前仍存在很多問題,如硫的絕緣性,硫在充放電過程中的體積膨脹和多硫離子的穿梭效應(yīng)以及鋰枝晶的產(chǎn)生。而以硫化鋰為正極時(shí),其理論比容量為1166 mAh/g,由于硫化鋰自帶鋰源,緩解了以硫?yàn)檎龢O時(shí)電池充放電過程中的體積膨脹和產(chǎn)生鋰枝晶的問題,被認(rèn)為是最具前景的下一代二次電池。但以硫化鋰為正極時(shí)仍存在導(dǎo)電性差和多硫離子穿梭的問題。
鳳谷回轉(zhuǎn)窯

本論文在國(guó)內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上,以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、硫化鋰為原料,采用溶解、重結(jié)晶以及高溫碳化的方法制備Li_2S/C復(fù)合材料,并詳細(xì)的研究了不同條件對(duì)Li_2S/C復(fù)合材料電化學(xué)性能的影響。由于以PVP和硫化鋰為原料受反應(yīng)環(huán)境的限制,所以以硫酸鋰為原料、PVP為碳源碳化還原硫酸鋰制備Li_2S/C復(fù)合材料并探討了三嵌段共聚物F127(聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯(PEO-PPO-PEO))的加入對(duì)Li_2S/C復(fù)合材料電化學(xué)性能的影響。本論文主要包括以下幾個(gè)部分:(1)采用PVP為碳源制備Li_2S/C復(fù)合材料,并詳細(xì)研究了不同質(zhì)量比、不同蒸發(fā)溫度和不同碳化溫度對(duì)Li_2S/C復(fù)合材料形貌、結(jié)構(gòu)及電化學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)mpvp:mLi_2S=1:1,蒸發(fā)溫度為150℃,碳化溫度為900℃時(shí),制備的Li_2S/C復(fù)合材料粉末顆粒較小且均勻,且具有最優(yōu)的電化學(xué)性能。在0.05 C電流密度下其首次放電比容量達(dá)到了1024.8 mAh/g,100圈循環(huán)后其比容量為500.3 mAh/g,容量保持率為48.8%。(2)采用硫酸鋰、PVP為原料,通過混溶和冷凍干燥的方法制備Li2SO4/PVP復(fù)合材料,并在800℃高溫碳化還原制備Li_2S/C復(fù)合材料,研究了不同PVP含量對(duì)電池電化學(xué)性能的影響。Li_2S/C復(fù)合材料的碳含量與PVP的加入量成正相關(guān)的關(guān)系。適當(dāng)?shù)奶己靠梢蕴岣卟牧系碾娮訉?dǎo)電率并改善材料的電化學(xué)性能,但是碳含量過高會(huì)在一定程度上阻礙鋰離子的擴(kuò)散,增大電子傳輸路徑,增加其在充放電過程中的極化,影響電池的放電比容量。

而當(dāng)mPVP:mLi2SO4=2.8:1時(shí),硫化鋰含量為81.2%,在0.05 C電流密度下,樣品正極表現(xiàn)出了較高的電化學(xué)性能,其首次放電比容量為773.7 mAh/g,100次循環(huán)后,放電比容量為478.6 mAh/g,容量保持率為61.86%。(3)以三嵌段聚合物F127為有機(jī)結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑,PVP作碳源前驅(qū)體,與硫酸鋰混溶并冷凍干燥制備Li2SO4/PVP/F127復(fù)合材料,再通過高溫碳化還原制備Li_2S/C復(fù)合材料。加入F127后,Li_2S/C復(fù)合材料顆粒尺寸減小,而且在復(fù)合材料中存在少量的介孔,這對(duì)當(dāng)mPVP:mLi2SO4:mF127=2.8:1:0.75時(shí),Li_2S/C復(fù)合材料顆粒尺寸在200 nm左右,比表面積為15.2 m2/g。組裝電池進(jìn)行電化學(xué)性能測(cè)試,此時(shí)其在0.05 C電流密度下首次放電比容量為988.7 mAh/g,循環(huán)100圈后,容量為634.1 mAh/g,容量保持率為64.13%。綜上所述,本實(shí)驗(yàn)主要以PVP為碳源,利用不同方法制備了兩種Li_2S/C復(fù)合材料,并使用鳳谷連續(xù)金屬回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)，并將其運(yùn)用于鋰硫電池當(dāng)中,初步研究了兩種方法制備的Li_2S/C復(fù)合材料的電化學(xué)性能,為鋰硫電池正極材料研究領(lǐng)域提供了重要的探索經(jīng)驗(yàn)。鋰電加熱爐