【摘 要】
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随着社会的极速发展,能源的需求量越来越大,能源缺口也在快速增大,能源危机愈演愈烈。新型能源的开发与使用对于解决化石能源危机也显得尤为重要。二次电池这种电能存储系统凭借其廉价高效,对环境友好,可重复使用等优点引起了极大地关注。锂离子电池,钠离子电池,钾离子电池,镁离子电池…,越来越多的种类的二次电池被开发,但是随着电子便携设备与电动汽车的飞速发展,高能量密度的电池材料也成为研究的热点。锂硫电池不但具
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随着社会的极速发展,能源的需求量越来越大,能源缺口也在快速增大,能源危机愈演愈烈。新型能源的开发与使用对于解决化石能源危机也显得尤为重要。二次电池这种电能存储系统凭借其廉价高效,对环境友好,可重复使用等优点引起了极大地关注。锂离子电池,钠离子电池,钾离子电池,镁离子电池…,越来越多的种类的二次电池被开发,但是随着电子便携设备与电动汽车的飞速发展,高能量密度的电池材料也成为研究的热点。锂硫电池不但具有高的理论容量,而且理论能量密度也远远高于普通的商业化电池,这些独特的优势使得锂硫电池成为最有前途的电化学储能设备之一。尽管锂硫电池有诸多的优点,但是锂硫电池本身存在一定的问题,它仍然无法大量的实际应用。特别是可溶性多硫化物化合物的穿梭效应导致电池循环的过程中比容量的极速衰减,极短循环寿命和严重的自放电效应严重的影响了锂硫电池的实际应用。Ti O2量子点与多硫化合物之间有较强的化学吸附作用,可以捕捉充放电过程中产生的可溶解于电解液中的多硫化合物,从而抑制这部分多硫化合物的扩散。本文中,我们介绍了一种基于Ti O2量子点修饰的多壁碳纳米管的电池隔膜,以解决穿梭效应并适应充电和放电过程中电极材料的体积变化。中间层具有足够的间隔和优异的导电性。这种方案可以显著地抑制了多硫化物的穿梭效应,使锂离子电池的性能得到进一步提高并且提高锂硫电池的稳定性。具体的研究包括以下两个方面:在第三章中,第一次使用ALD（原子层沉积）在多壁碳纳米管表面上沉积Ti O2量子点,然后将Ti O2量子点修饰后的多壁碳纳米管去修饰锂硫电池隔膜。利用多种方式对材料进行表征,其中包括扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射分析（XRD）、拉曼光谱分析（Raman）。通过多种多样的方式研究Ti O2量子点修饰之后的多壁碳纳米管以及修饰之后的隔膜。选用1.5 mol L-1的Li TFSI的锂盐溶质溶解在1,3-二氧戊环和1,2-二甲氧基乙烷（1:1,体积比）中做电解液,此外在电解液中溶解1%质量比的Li NO3做添加剂。在充满氩气的手套箱中制备了CR2302型纽扣半电池研究了改性隔膜的使用对锂硫电池性能以及稳定性的影响。锂硫电池的多种电化学性能是通过电化学工作站及电池测试系统完成的。测试后发现使用Ti O2量子点沉积在多壁碳纳米管表面去修饰的隔膜的锂硫电池在0.5 C(1C=1675 m A g-1)的电流密度下,初始容量高达1083m A h g-1,循环600圈后容量保持在610 m A h g-1,每个循环的平均容量衰减仅为0.072%。当用大的电流密度5 C进行测试,容量仍然能达到638 m A h g-1,表现出优异的倍率性能。这些优异的性能得益于多功能的夹层。多功能夹层不但能够提供锂硫电池在充放电过程中电极材料体积变化所需要的空间,最主要的是能够抑制多硫化合物的穿梭,极大地提高了锂硫电池的循环稳定性。在第四章中,研究了不同的不同类型的锂硫电池隔膜对性能及稳定性的影响。选择了三种类型的隔膜:原始隔膜,多壁碳纳米管修饰的隔膜和Ti O2量子点沉积在多壁碳纳米管表面去修饰的隔膜。对比的结果表明不同类型的隔膜对锂硫电池的性能及稳定性具有很大的影响。Ti O2量子点沉积在多壁碳纳米管表面去修饰的隔膜应用于锂硫电池时,展现出更高的容量和更稳定的循环。此外还设计了一种简易且直观有效的设备,可以清晰的观察到不同隔膜对多硫化合物穿梭效应的抑制作用。通过电化学性能和直观的展示,充分的证明了Ti O2量子点沉积在多壁碳纳米管表面去修饰的隔膜对多硫化合物的穿梭效应抑制效果更加优异,锂硫电池的性能也最好。
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