碳纤维作为锂硫电池隔层和复合正极材料基体的应用研究
锂硫电池作为极具潜力的下一代二次电池，具有能量密度高、电极材料成本低、环境友好等的特点，可以满足很多新兴技术的要求。但目前仍存在一些技术问题限制着其在实际中广泛应用，如电极材料导电性差，充放电过程中的体积膨胀，以及高溶解性多硫化物(LiPSs)的“穿梭效应”等。为了应对以上问题，本文选用商业化T300碳纤维平纹织物，分别探索了其作为隔层以及复合正极材料基体时对锂硫电池性能的影响。碳纤维作为近年来在各领域复合材料制备中重要的增强体材料，不仅具有很多优异性能，且制备技术成熟，既可简化碳材料基体制备时的繁杂步骤，控制其性能一致性，还可降低研发成本，使研究成果易于向工业化方向普及。本论文主要研究内容如下: (1)选用面密度为120g/m2的碳纤维织物，通过煅烧2h处理得到改性碳纤维隔层，经实验选定500℃为最佳煅烧温度。经过煅烧处理后，碳纤维表面上浆剂被氧化分解，氧含量增加，对多硫化物的化学吸附作用增强，协同其纤维结构对多硫化物的物理阻隔使得电池具有良好的循环稳定性。同时随着煅烧温度的增加，上浆剂分解程度增大，碳纤维内部碳质逐渐暴露，其电导率不断提升，500℃时可达94.78S/cm，进一步提高了充放电过程中多硫化物的转化率及电池容量，在0.2C倍率下，初始放电容量可以达到958.3mAh/g，100次循环后能保持在550.6mAh/g。 (2)在上面研究工作基础上，改用面密度为140g/m2的碳纤维织物，预先在碳纤维表面静电喷涂聚多巴胺包覆的碳纳米管进行修饰改性，再以最佳温度进行煅烧，作为隔层使用。喷涂碳管后，纤维表面含氧量增大，同时电导率进一步增加，达到130.13S/cm，其电池界面阻抗也进一步降低，在0.2C倍率下，经过100次循环后其容量可以保持在667.2mAh/g;在1C的大倍率下，100次循环后容量也可稳定至508.1mAh/g。 (3)在复合正极材料基体方面，利用煅烧后的碳纤维织物直接作为硫的载体，制备大载硫量的碳纤维/硫复合正极材料，并在载硫之后，使用聚丙烯酸(PAA)对其进行包覆改性。通过实验选定PAA最佳包覆时间为30min，在此包覆时间下，复合正极的电池容量及稳定性均有很大提升。在0.2C倍率下，其3mg载硫量的电池在循环100次后能维持在493.9mAh/g，远远高于没有包覆PAA电极的86.0mAh/g，而在5mg载硫量下循环100次后其容量仍有402.7mAh/g，证明了包覆的PAA可有效改善锂硫电池电化学性能。
锂硫电池;正极材料;碳纤维平纹织物;煅烧处理;电化学性能
北京化工大学
硕士
材料科学与工程
隋刚
2019
中文
TM912;TM242:TM205.1
2019-10-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）