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核壳结构正极材料二氧化锰/硫/氧化石墨烯的制备及性能研究任务书

 2020-06-06 11:06  

1. 毕业设计(论文)的内容和要求

锂硫电池因其高的理论比容量而备受人们关注(理论比容量是1672 mah﹒g-1),锂硫电池的优势除了能量密度非常高外,还具有一些其它的优点。一是采用硫和锂作为生产原材料,生产成本相对较低;二是锂硫电池对环境友好,且回收利用的能耗较小。典型的锂硫电池一般采用单质硫(s8)作为正极,金属锂片作为负极,它的反应机理不同于锂离子电池的离子脱嵌机理,而是电化学机理。锂硫电池放电曲线具有三个阶段。在第一放电阶段,由s8被还原为li2s8;在第二放电阶段(2.4-2.1v),s82-被还原成聚硫离子sn2-(8>n≥4),而聚硫离子易溶于有机电解液,主要发生液相反应,因此电极反应速率较快。第一和第二放电阶段因反应过程时间短,一般在锂硫电池的放电曲线上难以区分开。而在第三个放电阶段形成长放电平台,电位为2.1v,固相产物li2s2和li2s开始产生及相互转化,主要为固相反应,因此电极动力学过程较慢。硫电极的还原反应相当复杂,如图中所示存在着一系列的电化学反应。随着放电程度(12.5%、25%,50%、100%)的不同,反应的生成物依次为li2s8、li2s4、li2s2和li2s。

虽然锂硫电池具有高容量、高比能量等优点,但是目前其存在着活性物质利用率低、循环寿命低和安全性差等问题,这严重制约着锂硫电池的发展。造成上述问题的主要原因有以下几个方面:(1)单质硫是电子和离子绝缘体,室温电导率低(5#215;10-30s#183;cm-1),由于没有离子态的硫存在,因而作为正极材料活化困难;(2)在电极反应过程中产生的高聚态多硫化锂li2sn(8>n≥4)易溶于电解液中,在正负极之间形成浓度差,在浓度梯度的作用下迁移到负极,高聚态多硫化锂被金属锂还原成低聚态多硫化锂。随着以上反应的进行,低聚态多硫化锂在负极聚集,最终在两电极之间形成浓度差,又迁移到正极被氧化成高聚态多硫化锂。这种现象被称为飞梭效应,降低了硫活性物质的利用率。同时不溶性的li2s和li2s2沉积在锂负极表面,更进一步恶化了锂硫电池的性能;(3)反应最终产物li2s同样是电子绝缘体,会沉积在硫电极上,而锂离子在固态硫化锂中迁移速度慢,使电化学反应动力学速度变慢;(4)硫和最终产物li2s的密度不同,当硫被锂化后体积膨胀大约79%,易导致li2s的粉化,引起锂硫电池的安全问题。上述不足制约着锂硫电池的发展,这也是目前锂硫电池研究需要解决的重点问题。

克服锂硫电池容量衰减的问题基本上从以下3个方面着手:(1)添加一种或多种电子导体与硫复合达到提高导电性的目的;(2)抑制多硫化物过多的溶解,主要通过设计导电相的结构使其具有吸附多硫化物的能力,或者改进电池的电解液体系;(3)锂负极的保护。锂硫电池硫正极的改性硫正极的改性主要包括硫与导电材料的复合、纳米金属氧化物对硫单质的包覆等,以达到提高硫正极导电率、抑制多硫化物溶解的目的。

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2. 参考文献

[1] tarascon j m, armand m. issues and challenges facing rechargeable lithium batteries [j]. nature, 2001, 414(6861): 359-367.

[2] goodenough, b j, kim, et al. challenges for rechargeable li batteries#8224; [j]. chemistry of materials, 2010, 22(3): 587-603.

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3. 毕业设计(论文)进程安排

起讫日期

设计(论文)各阶段工作内容

备 注

12.12-1.13

查阅文献,翻译英文文献,开题

3.13-4.28

实验

4.28-5.12

论文中期检查

5.12-5.28

实验总结

5.28-6.9

撰写论文及论文答辩

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