摘 要

社会各界对大容量电池的需求越来越高，因此对锂硫电池的研究是当下绿色能源电池的第一战线。但是放电过程中间生成物多硫化锂在电解液中的溶解使得诞生了“穿梭效应”，从而导致电池的循环性能差、自放电率高等的困扰。针对该问题，本论文拟从作为锂硫电池正极反应载体的碳材料入手，研究多硫化物在微介孔碳材料中的扩散传质，以期对设计发展一种兼具对多硫化物催化和吸附的复合碳材料提供支撑。研究中，本论文将侧重于复合碳材料的结构与多硫离子的扩散传质及所组成的锂硫电池电化学性能之间的构效关系。深入分析设计合成的复合碳材料对多硫化物传质及锂硫电池正极反应的影响，从而构建高效能锂硫电池正极的制备体系。

关键词：复合碳材料；锂硫电池；穿梭效应；多硫化物；高循环稳定性

Abstract

Due to its high theoretical specific capacity, low cost and environmental benignancy, lithium-sulfur battery attracts lots of researcher’s attentions inrecent days. However, before it fully commercialize, there are still several obstacles should be solved. Among them, the shuttle effect originating from the dissolved intermediate high order polysulfides, which diffuse between cathode and anode and result in a self-discharge, poor cyclic stability and fast capacity decay, is one of the most important hurdles. To tackle this challenge, here we propose to study the mass transfer process of the polysulfides inside the micro/meso-porous carbon materials and then design and synthesis of composite carbon materials, which are used as the conductive framework as well as the sulfur/lithium sulfide host. Based on the results of the literatures and our previous studies, we plan to obtain a hierarchical porous carbon materials with N/B/ F doped on the surface associated the transition metal and/or transition metal oxides highly dispersed within the carbon matrix. Those composite carbon materials are expected to exhibit high interaction with polysulfide species. The mass transfer of the polysufides will be slow down then the process of the polysulfides diffusion away from the positive electrode will be impeded. In this project, we try to focus on the design and fabricate the composite carbon materials effectively, and in the mean time to realize the lithium sulfur battery with high power density and high cyclic stability.

Key words：composite carbon material; Lithium-sulfur battery; shuttle effect; polysulfides; high cyclic stability.

目录

多硫化锂的合成及其在复合功能碳材料中 1

扩散传质的研究初探 1

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2 锂硫电池的简介 2

1.2.1 锂硫电池的工作原理 2

1.2.2 锂硫电池存在的问题及解决途径 4

1.3 国内外研究现状 5

1.3.1 硫/碳复合材料 6

1.3.2 硫/纳米管复合材料 6

1.3.3 硫/石墨烯符合材料 7

1.4 锂负极及其性能的改性 8

1.5 电解液的改性 8

1.6 本文选题的思路，研究目标及主要的研究内容和创新点 9

1.6.1 本论文的选题依据 9

1.6.2 本论文的研究目标 10

1.6.3 本文主要的研究内容 10

1.6.4 本文的特色与创新之处 11

第二章 实验部分 12

2.1 实验试剂 12

2.2 实验仪器 12

2.3多硫化锂（Li₂S₆）四氢呋喃溶液的合成 12

2.4紫外‐可见分子吸收光谱法（UV-VIS） 13

2.5 THF（四氢呋喃）溶液的纯化 14

2.6 国药活性炭和先锋活性炭的表征 15

2.7 国药活性炭和先锋活性炭的传质 16

第三章 总结与展望 18

3.1 总结 18

3.2 展望 18

参考文献 20

致谢 22

第一章 绪论

1.1引言

工业改革之后，化石燃料能源成了当今时代持续发展的主要支柱之一。然而，进入崭新的21世纪，人类社会在享受这种飞快的发展的同时，也正面临着新的挑战——能源危机。众所周知，石油、天然气、煤炭等传统燃料成了人类离不开的能源。人类社会的快速发展，使得各类矿产资源的利用率和开采率达到世界新高。作为这种不可再生的资源，天然化石能源的总储量是只减不增，2012年国际能源机构（IEA）预测到2035年化石燃料占据全球能源消耗的比率达到82%[1]。这种局势严重的破坏了地球的生态环境和原有的新鲜空气。所以，研究和开发新一代的清洁的绿色再生能源，是当今社会的首要任务。我们优先想到的就是再生天然能源的开发利用，因此风能、太阳能之类的自然清洁新资源引起了人类广泛的重视。由于其不仅利用效率极低而且使用过程具有间歇性造成了技术和能源的极度浪费[2]。因此，有关能源转化及储存的技术和设备被迫切需要。

二次电池是一种电能的储存设备，它在可再生能源等的存储中起了不可忽略的作用。这与通常所用的镍氢电池、铅酸电池、银络电池等电源相比；锂离子二次电池具备以下几个特点：循环寿命极长、自放电效应低、输出电压较高、使用时清洁对环境无污染等。所以这些年以来，新能源电池在电子设备中的应用达到了历史新高。当前在商业界的锂离子电池采用的正极材料如下：钴酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、NCA兰元材料等等，他们的理论比容量约在120-200mAhg^-1。因为受限制于这些材料理的论容量，我们已经难以再进一步大幅度提高这些电池的实际能量密度。[3]所以，目前锂离子电池的正极材料几乎无法满足引用于长距离运输的电动汽车或者混合动力汽车的需求。因此，探索和研巧新一代的具有高的能量密度和成本低的电化学储能设备，对社会的持续发展是具有尤为重要的意义的措施。