松針狀碳納米管-碳纖維復(fù)合材料的制備及其在鋰硫電池中的應(yīng)用.pdf

1、鋰硫電池具有理論比容量高、成本低、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，被公認(rèn)為最具發(fā)展?jié)摿Φ母吣芰棵芏榷武囯姵刂弧５橇蚝凸虘B(tài)放電產(chǎn)物為電子絕緣體、中間產(chǎn)物易溶于電解液、充放電過(guò)程存在體積效應(yīng)，這些因素造成鋰硫電池活性物質(zhì)利用率低、循環(huán)性能差等問(wèn)題，阻礙了鋰硫電池的實(shí)用化。研究者們發(fā)現(xiàn)電子導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不足是電池循環(huán)穩(wěn)定性差的重要原因，同時(shí)提出硫電極在電池放電過(guò)程中電化學(xué)反應(yīng)的微觀空間位置在電子導(dǎo)體與電解液界面處的觀點(diǎn)。本論文以解決硫正極材料在反應(yīng)

2、過(guò)程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差的問(wèn)題、確認(rèn)電化學(xué)反應(yīng)的微觀空間位置為目的，制備了一種無(wú)粘結(jié)劑的整體三維多孔電子導(dǎo)體材料與硫復(fù)合，初步對(duì)不同表面化學(xué)性質(zhì)的一體化正極材料的制備、微觀結(jié)構(gòu)及電化學(xué)性能展開(kāi)了研究。具體工作內(nèi)容和主要結(jié)論如下：
　?。?）松針狀碳納米管/碳纖維復(fù)合材料的制備及表征
　　本論文采用價(jià)格低廉、導(dǎo)電性好的碳紙作為基底，利用熱催化化學(xué)氣相沉積法（CVD），以二甲苯為碳源，二茂鐵為有機(jī)催化劑前驅(qū)體，在無(wú)機(jī)催化劑前驅(qū)體預(yù)處理

3、的碳紙?zhí)祭w維（CF/CP）上沉積碳納米管（CNTs），制備了松針狀碳納米管/碳纖維復(fù)合材料（CNTs/CF）。利用掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、X射線衍射（XRD）對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行表征。結(jié)果表明：在沉積時(shí)間為60 min時(shí)，所制備的CNTs/CF復(fù)合材料微觀形貌為松針狀。碳納米管為多壁碳納米管，長(zhǎng)度約為60μm，外徑約為24 nm，內(nèi)徑約為8 nm，管壁約有26層，層間距約為0.3 nm，具有分布密度高、比表面積大、

4、管徑均勻等優(yōu)點(diǎn)。
　?。?）硫/松針狀碳納米管/碳纖維復(fù)合硫電極的制備及其電化學(xué)性能的研究
　　將松針狀CNTs/CF復(fù)合材料作為三維多孔電子導(dǎo)體，與單質(zhì)硫利用溶劑法制備硫電極（S/CNTs/CF），在極片成型壓力約為3.0 MPa，電池封口壓力約為5.0 MPa的最優(yōu)工藝參數(shù)下組裝鋰硫電池。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明：S/CNTs/CF電池首次放電比容量為1213.6 mAh/g，硫的利用率為72.45％，充放電55次后放電比容量

5、保持在798.4 mAh/g；隨著循環(huán)次數(shù)的增加還原峰、氧化峰的峰電位與峰電流有微小的變化；電池/電解質(zhì)界面的電荷傳遞阻值變化較小。綜上，S/CNTs/CF電池相比S/C（活性炭）電池的電化學(xué)性能有明顯的提高，表明S/CNTs/CF電池的陰極材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、抗撕裂性強(qiáng)，在充放電過(guò)程中陰極材料與電解質(zhì)之間的面積變化較小，有效的抑制了導(dǎo)電三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的破壞，解決了鋰硫電池在循環(huán)過(guò)程中穩(wěn)定性差的問(wèn)題。
　?。?）松針狀碳納米管/碳纖維

6、復(fù)合導(dǎo)電材料表面組成對(duì)鋰硫電池性能的影響
　　采用浸漬法制備不同表面組成的松針狀碳納米管/碳纖維復(fù)合導(dǎo)電材料（CNTs/CF、CNTsHNO3/CF、CNTsH2O2/CF），研究其對(duì)鋰硫電池性能的影響。通過(guò)XRD表征發(fā)現(xiàn)CNTsHNO3、CNTsH2O2材料的石墨結(jié)構(gòu)并未遭到破壞，但是其表面的C、Fe3C、Fe2O3晶型較CNTs材料發(fā)生了變化。我們以微觀形貌相似但材料表面化學(xué)性質(zhì)不同的 S/CNTs/CF、S/CNTsHNO3

7、/CF、S/CNTsH2O2/CF復(fù)合材料作為陰極材料，組裝鋰硫電池進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試發(fā)現(xiàn)上述三種復(fù)合材料的電化學(xué)性能發(fā)生了顯著的變化。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明：S/CNTs/CF電池的循環(huán)穩(wěn)定性最好，S/CNTsHNO3/CF電池的循環(huán)穩(wěn)定性最差， S/CNTsH2O2/CF電池的容量衰減最明顯；S/CNTs/CF電池的循環(huán)伏安曲線存在兩個(gè)還原峰和一個(gè)氧化峰，S/CNTsHNO3/CF、S/CNTsH2O2/CF電池的首圈循環(huán)伏安曲線上存在三個(gè)