Mo掺杂改性TiO2作为高性能锂硫电池载硫基体材料的性能分析
锂硫电池是一种用金属锂作为电池负极，单质硫作为电池正极的一种新型锂电池。其正极材料硫的理论比容量为1675 mAh·g-1，是目前已知的理论比容量最高的固体正极材料。但是锂硫电池在实际研究过程中，依旧受限于种种问题。比如说：在充放电过程中，会产生严重的穿梭效应；正极材料的单质硫导电性差；负极锂枝晶问题。针对于此，对正极材料进行改性成为提高电池性能的一种行使有效的方法。 本文制备了一种Mo掺杂改性TiO2作为载硫基体材料，并对其在锂硫电池中的性能进行了电化学分析。在实验最开始阶段，利用溶胶-凝胶法，在450℃高温煅烧下制备出不同比例Mo 掺杂改性TiO2复合基体材料。通过一系列物理表征发现，该复合基体材料表面颗粒分布均匀，材料的孔径大小也适中。接着对其进行不同比例的硫负载后，制成了一种新型Mo@TiO2/S复合电极材料，应用于锂硫电池中。通过电化学测试发现，当硫负载比为1∶1，Mo占TiO2质量比为8%时的Mo@TiO2/S复合电极材料，在0.1 C倍率下，比容量可达1483.08 mAh·g-1，0.2 C 倍率下，比容量可达1208.57 mAh·g-1,在0.5 C 大倍率下，比容量依旧可以达到1004.17 mAh·g-1。在0.2C倍率下，循环150次后的容量保持率为60%。 其次，通过调节不同的水热温度和时间，分析Mo掺杂改性TiO2载硫基体材料的物理性能及Mo@TiO2/S复合电极材料的电化学性能。通过一系列实验探究发现，当水热温度为 140℃ 和水热时间为 28 h 时， Mo@TiO2/S复合电极材料表面TiO2具有最好的结晶度以及对硫化物的吸附性，使其比容量、倍率性能以及循环稳定性都得到了显著提升。当基体材料与单质硫按照质量比为1∶2 负载时，在0.1 C 倍率下，放电比容量可达1331.73 mAh·g-1，在0.2 C倍率下，放电比容量可达1094.44 mAh·g-1,在0.5 C 倍率下下，放电比容量可达984.77 mAh·g-1。经过150 次循环后， 0.2 C 倍率下的容量保持率为76.6%，循环次数增加至200 次后，0.2 C倍率下的容量保持率仍为 68.2%。当水热时间和温度不断上升时， Mo@TiO2/S复合电极材料的孔隙率逐渐在缩小，孔洞排布的均匀性也在不断减小，其电子传导和离子扩散速度都受到影响，使得电化学性能不断下降。 最后，为了有效提高Mo@TiO2载硫基体材料的电子传导速率，以活性炭为碳源，首先在马弗炉先进行预煅烧处理，而后继续在管式炉中Ar保护下再煅烧，得到不同比例的碳包覆Mo@TiO2载硫基体材料。对其进行载硫处理，并进行一系列物理表征和电化学性能表征发现（包括XRD、SEM、Raman、恒流充放电测试、循环伏安以及交流阻抗测试等等），所制备出来的碳包覆Mo@TiO2/S复合电极材料电子传导速率和库伦效率都得到了显著提高。此外，对再煅烧温度和碳包覆比例进行探究发现，在马弗炉 300℃烧结 2 h 后，继续在管式炉 800℃烧结 2 h 制备出碳包覆TiO2@Mo复合基体材料，负载S后，制备出的复合电极材料在0.1C倍率下，比容量可达1454.69 mAh·g-1，0.2 C 倍率下，比容量仍然可以达到1200.43 mAh·g-1。150次充放电循环后，0.2 C倍率下的容量保持率为71.6%。综上所述，Mo 掺杂改性 TiO2复合基体材料应用在锂硫电池上，电池的充放电性能和循环稳定性都大幅提升。
锂硫电池;载硫基体材料;二氧化钛;改性处理;电化学性能
渤海大学
硕士
分析化学
蔡克迪
2021
中文
TM912;TM242:TM205.1
2023-09-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）