發(fā)布時間：2018-01-22 19:22

  本文關(guān)鍵詞： 鋰硫電池 硫正極 多孔材料 金屬有機框架　出處：《中南大學》2014年碩士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：摘要：鋰硫電池是一種極具發(fā)展前景的高能量密度電池體系。比容量高和循環(huán)性能好的多孔骨架／硫復(fù)合電極材料是鋰硫電池的研究重點和熱點。探尋具有良好導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)、高比表面積、合適孔結(jié)構(gòu)和大小的多孔骨架材料,提高硫正極的電化學活性、吸附性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,實現(xiàn)高載硫量與高利用率的協(xié)同,對于高能量密度鋰硫電池的發(fā)展具有重要理論基礎(chǔ)和學術(shù)價值。 本文以金屬有機框架作為多孔骨架研究對象,成功制備了兩種比表面積大,孔徑適合的多孔金屬有機框架Cr3F(H2O)2O(BDC)3·nH2O(MIL-101)和Zn4O(BDC)3(MOF-5)(BDC=對苯二甲酸),通過原位包覆或碳化進行改性,制備了三種電化學性能優(yōu)異的復(fù)合多孔骨架；通過低溫液相和熔融熱處理,分別合成了硫-介孔金屬有機框架／石墨烯復(fù)合材料,硫-介孔炭／多壁碳納米管復(fù)合材料和硫-介孔炭／氧化石墨烯復(fù)合材料三種含硫正極材料,研究其理化性質(zhì)和電化學性能。獲得的主要結(jié)果如下： 1.硫-介孔金屬有機框架／石墨烯復(fù)合材料：采用水熱法成功合成了微孔結(jié)構(gòu)豐富、比表面積大的介孔金屬有機框架(MIL-101),采用“石墨烯與介孔金屬有機框架原位復(fù)合+硫的液相滲透”二步工藝制備了電化學性能優(yōu)異的硫-介孔金屬有機框架／石墨烯／復(fù)合正極材料。電化學測試結(jié)果顯示,與常規(guī)的單質(zhì)硫正極材料相比,MIL-101(Cr)@rGO/S硫正極半電池首次放電比容量為980mAh g-1,50次循環(huán)后仍保持650mAh g-1,容量保持率為66.7%,循環(huán)性能表現(xiàn)得到明顯的改善,保持較高的正極材料活性物質(zhì)利用率,并顯著提高硫基正極循環(huán)穩(wěn)定性。 2.硫-介孔炭／多壁碳納米管復(fù)合材料：采用溶劑熱法成功合成了具有豐富介孔結(jié)構(gòu)的介孔金屬有機框架／多壁碳納米管(MWCNT@MOF-5),以此材料為模板和前驅(qū)體,采用高溫碳化法制備具有良好導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)、高比表面積、合適孔結(jié)構(gòu)的介孔炭／多壁碳納米管復(fù)合材料,通過熱處理的方法,將熔融的硫滲入多孔碳骨架中得到硫-介孔炭／多壁碳納米管復(fù)合材料(MWCNT@Meso-C/S)。實驗測試結(jié)果顯示,0.5C電流密度下,MWCNT@Meso-C/S半電池首次放電比容量為1384mAh g-1,50次循環(huán)后放電比容量仍然保持在874mAh g-1.這種復(fù)合結(jié)構(gòu)可有效降低充放電極化,減小電池內(nèi)阻,電池的循環(huán)和大倍率性能良好。 3.硫-介孔炭／氧化石墨復(fù)合材料：采用溶劑熱法成功合成了具有豐富介孔結(jié)構(gòu)的介孔金屬有機框架／氧化石墨烯(GO@MOF-5),以其為模板和前驅(qū)體,采用高溫碳化的方法制備具有良好導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)、高比表面積、合適孔徑的介孔炭／氧化石墨烯復(fù)合材料,通過熱處理的方法,將熔融的硫滲入到多孔骨架中制得硫-介孔炭／氧化石墨烯復(fù)合材料(GO@Meso-C/S).電化學結(jié)果顯示,在0.2C電流密度下GO@Meso-C/S半電池首次放電比容量為1122mAh g-1,100次循環(huán)后放電比容量仍然保持在820mAh g-1,顯示了硫-介孔炭／氧化石墨烯復(fù)復(fù)合材料較高的活性物質(zhì)利用率和優(yōu)異的循環(huán)性能。
[Abstract]:Abstract: lithium sulfur battery is a battery system high energy density is a very promising. High specific capacity and good cycle performance of the porous / sulfur composite electrode material is the research focus of lithium sulfur battery. To find a good conductive network, high surface area, porous materials suitable pore structure and size, improve the electrochemical activity of sulfur cathode, the stability of structure and properties of adsorption, high load and high utilization rate of sulfur coordination, has important theoretical basis and academic value to the development of high energy density of lithium sulfur battery.
In this paper, metal organic frameworks as the research object of porous skeleton, successfully prepared two kinds of large specific surface area, porous metal organic frameworks (H2O) for the diameter of Cr3F (BDC 2O) 3 - nH2O (MIL-101) and Zn4O (BDC) 3 (MOF-5) (BDC=, terephthalic acid) was modified by in situ coating or carbonation, composite porous skeleton three excellent electrochemical properties were prepared by low temperature liquid phase; melting heat treatment, were synthesized with sulfur - mesoporous metal organic frameworks / graphene composite materials, mesoporous carbon / sulfur - multi walled carbon nanotubes composites and sulfur oxide mesoporous carbon / graphene composite materials three kinds of sulfur cathode materials, study its physicochemical properties and electrochemical properties. The main results are as follows:
1. sulfur - mesoporous metal organic frameworks / graphene composite materials: synthesis of microporous structure rich by hydrothermal method. The specific surface area of mesoporous metal organic framework (MIL-101), the use of graphene and in situ organic framework of mesoporous metal composite + sulfur liquid infiltration "two step process preparation the excellent electrochemical performance of sulfur - mesoporous metal organic frameworks / Shi Moxi / composite cathode material. The electrochemical test results showed that, compared with conventional sulfur cathode materials, MIL-101 (Cr) @rGO/S sulfur cathode half cell initial discharge capacity was 980mAh after g-1,50 cycles remain 650mAh g-1, the capacity retention rate was 66.7%, cycle the performance has been significantly improved, the utilization rate of cathode active material remained high, and significantly improve the cycle stability of sulfur based cathode.
2. sulfur - mesoporous carbon / multi walled carbon nanotubes composites by solvothermal method successfully synthesized mesoporous metal organic frameworks / multi walled carbon nanotube rich mesoporous structure (MWCNT@MOF-5), this material as template and precursor by high temperature carbonization with good conductive network, high specific surface area mesoporous carbon / multi walled carbon nanotubes composites suitable pore structure, by heat treatment, the sulfur melt into porous carbon skeleton in mesoporous carbon / sulfur composite of multi walled carbon nanotubes (MWCNT@Meso-C/S). The experimental results show that the current density of 0.5C, the MWCNT@Meso-C/S half cell discharge capacity of 1384mAh after g-1,50 cycles the discharge capacity remains at 874mAh g-1. this composite structure can effectively reduce the polarization charge and discharge, reduce the internal resistance of the battery cycle performance and high rate battery is good.
3. sulfur oxide mesoporous carbon / graphite composite materials by solvothermal method successfully synthesized mesoporous metal organic frameworks / graphene oxide rich mesoporous structure (GO@MOF-5), with the template and precursor made by high temperature carbonization preparation has good conductive network, high surface area, mesoporous oxide mesoporous carbon / graphene composite materials with suitable pore size, by heat treatment, the molten sulfur into the porous scaffold made of sulfur oxide mesoporous carbon / graphene composite materials (GO@Meso-C/S). The electrochemical results show that in the current density of 0.2C GO@Meso-C/S half cell initial discharge capacity was 1122mAh g-1100 cycles after the discharge capacity remains at 820mAh g-1, shows the active substance sulfur oxidation of mesoporous carbon / graphene composite composite high utilization and excellent cycle performance.

【學位授予單位】：中南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TM912

【共引文獻】

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本文編號：1455549