摘 要

锂硫电池理论比容量高达1675 mAh g^-1，能量密度高达2600 Wh kg^-1，且具有原材料丰富、成本低廉、无毒、对环境友好等优点而受到广泛关注。然而锂硫电池的发展受到许多因素的制约。例如“穿梭效应”、单质硫及其放电产物Li₂S₂、Li₂S的导电性能较差、单质硫与Li₂S因密度不同而导致硫体积膨胀甚至破碎以及锂负极表面易生成枝晶等。本文介绍了锂硫电池的反应机理和国内外的研究现状，从纯硫电极与硫碳复合电极的制备两方面入手，并从隔膜层数及种类、温度、电解液用量、活性物质硫的载量等方面研究分析了锂硫电池的电化学性能。不断优化反应条件，最终得到首圈放电比容量高达741.9 mAh g^-1的一种硫碳复合电极（S/C=65:35）。

关键词：锂硫电池；放电容量；隔膜；电极组成；硫载量

Abstract

Lithium-sulfur battery has received wide attention due to its high theoretical specific capacity (1675 mAh g^-1), large energy density (2600 Wh kg^-1), abundance in raw materials, low cost, non-toxic and environmentally friendlness. However, the development of lithium-sulfur battery is restricted by many factors. For example, lithium-sulfur battery suffers from "shuttle effect". In addition, the conductivity of elemental sulfur and its discharge products Li₂S₂/Li₂S conductivity is low, restricting the charge-discharge performance of the battery. Moreover, the sulfur cathode may crack due to the great volume expansion of the electrode during cell cycling and the Li anode tends to form dendrites, which may lead to the ultimate failure of the battery. In this thesis, the reaction mechanism of lithium-sulfur battery and the research status in this field is introduced. Starting from the two aspects of the preparation of pure sulfur electrode and sulfur-carbon composite electrode, we optimized the technique parameters, such as the number of layers and types, experimental temperature, the amount of electrolyte, the areal loading density of sulfur, in assembling the battery and the test conditions on the performance of the battery. We find that the optimal battery, which has a sulfur carbon composite electrode (S/C=65:35), exhibit a specific discharge capacity of 741.9 mAh g^-1 in the first cycle.

Keywords: lithium-sulfur battery; discharge capacity; separator; composition of the electrode; areal loading density of sulfur

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 锂硫电池概述 1

1.2.1 锂硫电池的结构及其反应机理 1

1.2.2 锂硫电池存在的主要问题 3

1.3 国内外研究现状 3

1.3.1 国内研究现状 3

1.3.2 国外研究现状 4

1.4 本文的研究目的及主要内容 4

第2章 实验试剂及仪器 5

2.1 实验试剂 5

2.2 实验仪器 5

第3章 隔膜层数对锂硫电池性能影响的探索 6

3.1 实验部分 6

3.1.1 电极材料的制备 6

3.1.2 电池组装及其电化学性能测试 6

3.2 结果与讨论 6

3.3 本章小结 7

第4章 隔膜种类对锂硫电池性能影响的探索 8

4.1 实验部分 8

4.1.1 硫碳复合材料的制备 8

4.1.2 电极材料的制备 8

4.1.3 电池组装及其电化学性能测试 8

4.2 结果与讨论 9

4.2.1 PP膜与PE膜的扫描电镜分析 9

4.2.2 PP膜与PE膜的接触角分析 9

4.2.3 先锋碳比表面积和孔径分布分析 10

4.2.4 电化学性能 10

4.3 本章小结 11

第5章 温度对锂硫电池性能影响的探索 12

5.1 实验部分 12

5.1.1 电极材料的制备 12

5.1.2 电池组装及其电化学性能测试 12

5.2结果与讨论 12

5.2.1高纯S:Super P:PVDF=7:2:1 12

5.2.2高纯S:Super P:PVDF=6:3:1 13

5.2.3 S/C(7:3) :Super P:LA133=7:2:1 14

5.3 本章小结 15

第6章 电解液用量对锂硫电池性能影响的探索 16

6.1实验部分 16

6.1.1电极材料的制备 16

6.1.2电池组装及其电化学性能测试 16

6.2结果与讨论 16

6.3 本章小结 17

第7章 硫负载量对锂硫电池性能影响的探索 18

7.1 实验部分 18

7.1.1 电极材料的制备 18

7.1.2 电池组装及其电化学性能测试 18

7.2结果与讨论 18

7.2.1高纯S:Super P:PVDF=7:2:1 18

7.2.2 S/C(7:3) :Super P:LA133=7:2:1 19

7.3 本章小结 20

第8章 总结与展望 21

参考文献 22

致谢 24

第1章 绪论

1.1 引言

随着全球能源消耗的持续增加，煤、石油、天然气等不可再生能源的储量日益枯竭，由此带来的环境污染问题日益严重，开发新型的清洁可再生能源迫在眉睫^[1-9]。然而，太阳能、风能等新能源存在间歇性与周期性的问题，需要与电化学储能系统结合使用方能发挥最大作用^[2]。因此，电化学储能系统的研发成为解决这一问题的关键所在。20世纪90年代锂离子二次电池的问世对社会经济的发展产生了巨大影响，商业化后的锂离子二次电池广泛应用于人们的日常生活、航天航空以及国防领域^[3]。因此研究者加大了对锂离子电池的探索，致力于开发出性能更优的锂离子二次电池。

锂离子电池具有工作电压高、安全性能好、对环境友好等优点^{[7, 9, 10]}。其正极材料种类繁多，包括LiCoO₂、LiNiO₂、LiFePO₄、LiMn₂O₄以及V₂O₅等^[5-7]，理论比容量分别为275、274、170、148、400 mAh g^-1。锂离子电池的反应机制为“脱嵌锂”^[4]，即充电时，锂离子从正极材料中脱出，流经电解液嵌入到负极中；放电时，锂离子从负极材料中脱出，流经电解液嵌入到正极中，期间电子从负极通过外电路转移至正极，能量从化学能转变成电能储存起来。正是由于这种反应机制，锂离子电池正极材料的理论比容量通常小于300 mAh g^-1，锂离子电池的能量密度小于200 Wh kg^-1，不足以满足当今社会新能源汽车、便携式电子设备发展所需高能量密度电池的要求^{[2, 6]}。因此，发展一种新型储能系统势在必行。