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摘 要

本文首先对锂离子电池及锂硫电池体系的定义、结构、工作原理等情况进行了简单的介绍，然后介绍锂硫电池目前遇到的问题，通过对于这些问题的分析引入氧化石墨烯的解决方案，最后叙述了该方案的详细步骤并对取得的实验数据加以分析。总结出H-GO/S复合物在155 ℃下热处理12 h后，氧化石墨烯特殊的层状结构有助于缓冲充放电过程中硫的体积变化，其表面具有的含氧官能团也能与硫作用从而固定住硫元素抑制其损失，故而该复合材料作为正极使得电池具有优异的电子导电性、稳定的电化学性能、比较好的容量保持率。因此，硫/氧化石墨烯复合材料是一种极具发展潜力的锂硫电池正极材料。

关键词：锂硫电池 硫/氧化石墨烯复合材料 化学沉积法 首次放电比容量

The research on preparation and properties of the Sulfur/Graphene oxide composite cathode material

Abstract

In this paper, the definition, structure and working principles of lithium ion batteries and lithium sulfur batteries are introduced initially. However, there exists some troubles of the lithium sulfur batteries. To solve these problems, the graphene/sulfur composite cathode is introduced. Then the detail processes and date analysis of the experiment is recommended. Finally we draw a conclusion that the unique structure of the graphene oxide is helpful to the volume change of sulfur itself, besides the different kinds of function groups on the graphene oxide could prevent the sulfur’s loss, the facts above makes it come true that H-GO/S composite material, heated under 155℃ for 12 hours, shows an excellent electrical conductivity, stability, capacity retention in electrochemical properties. Thus the graphene oxide is a kind of promising material in lithium sulfur batteries.

Key words: lithium sulfur batteries; sulfur/graphene oxide composite; Chemical deposition method; specific capacity at the first time

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 锂离子电池简介 3

1.2.1 锂离子电池工作原理 4

1.2.2 锂离子电池的优缺点 5

1.2.3 锂离子电池关键材料的概述 5

1.3 锂硫电池体系介绍 7

1.3.1 锂-硫电池工作原理 8

1.3.2 锂-硫电池正极材料改性 10

1.4本文研究目的和内容 12

第二章 实验研究方法 13

2.1 前言 13

2.2 主要实验试剂和设备 13

2.2.1 实验试剂 13

2.2.2 实验设备 14

2.3 材料的表征 14

2.3.1 XRD分析 14

2.3.2 TG-DTG分析 15

2.3.3 傅里叶红外光谱分析 15

2.3.4 TEM分析 15

2.4 材料的电化学性能分析 15

2.4.1 工作电极的制备及扣式电池组装 15

2.4.2 充放电循环测试 16

2.4.3 循环伏安测试 16

第三章 氧化石墨的制备及其表征 17

3.1 引言 17

3.2 材料的制备 17

3.3 氧化石墨FTIR图谱及分析 18

3.4 本章小结 18

第四章 氧化石墨烯与硫的复合及其表征 19

4.1 引言 19

4.2 氧化石墨烯的制备及其与硫的复合 19

4.3 氧化石墨、硫/氧化石墨烯、热处理硫/氧化石墨烯XRD图谱及分析 20

4.4 硫/氧化石墨烯复合物的TEM图及分析 20

4.5 硫/氧化石墨烯TG图谱及分析 21

4.6 CR2032电池循环伏案性能测试图谱 22

4.7 CR2032电池循环性能测试图谱 22

4.8 本章小结 23

第五章 实验结论与展望 24

5.1 实验结论 24

5.2 展望 24

参考文献 25

致谢 27

第一章 绪论

1.1 引言

随着科技的进步，人类社会传统能源——石油、煤炭、天然气已逐渐不能满足人们的需求。据2006年一次OPEC内部研讨会资料称^[1]，地球上可开采石油估计有5.7万亿桶，人类有史以来开采了其中18 %，约1万亿桶，照目前的开采速度，地球上的石油还可以开采140年。

图1-1是近年来世界和中国的能源消耗情况示意图。从图中我们可以看出作石油、煤炭、天然气所代表的化石能源在当今社会中仍是主要的消费支柱，中国是煤炭大国，其煤炭消费总量甚至占了全国能源消费总量的68 %。如此高的消费总量不得不让我们重视一件事情：一旦化石能源告罄，那么我们何以寻找新的能源支撑点？

图1-1 世界和中国能源消费结构示意图

Fig.1-1 The schematic diagram of energy consumption structure in world and China

不仅如此，化石能源带来的环境问题也是亟待解决的。以煤炭为例，煤炭是由深埋在地壳中的植物经过复杂的化学反应形成的，在这一漫长的形成过程中，煤炭结构内会有硫、氮等元素的化合物，该类化合物在燃烧过程中极易产生大量硫氧化合物和氮氧化合物，这两类化合物会对环境产生极大污染。如当今词频比较高的“酸雨”，就是因为化石燃料的燃烧导致的。另外，化石能源的使用一定会产生二氧化碳，虽然二氧化碳不是有毒气体，但是它会造成温室效应，引起全球的气温升高，有专家预计：未来的100年产生的CO₂将导致我们地球表面温度上升2 ℃-4.5 ℃。

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