论文总字数：22337字

摘 要

随着可持续清洁能源相关行业的迅猛发展，提高新能源的储存和使用效率便是人们需要解决的难题，随着研究的不断深入，锂硫电池逐渐成为极具使用前景的下一代电池，归因于其较高的比容量和能量密度，使其具有成本效益和优异的安全性能。但是研究中发现，单纯的硫作为电池正极材料时电导率较低，不能够满足电池性能要求，严重时会造成电极工作时的体积变化，危害电池安全。本文首先对锂硫电池体系的发展过程、结构设计和工作原理进行了介绍，提出了目前该体系面临的主要问题，针对该问题设计实验，利用ZIF-67阵列衍生物作为载体来对锂硫电池的正极材料进行改性，通过设计合理的结构，提高正极材料的吸附能力，高效抑制活性物质的溶解。这种方法用于对硫的改性，能够有效提高该电池体系的倍率性能和循环稳定性能。

关键词：锂硫电池 ZIF-67阵列衍生物 正极材料 倍率性能 循环性能

Preparation and Electrochemical Properties of ZIF-67 Array Derivatives

Abstract

With the rapid development of sustainable-clean-energy-related industries, improving the storage and use efficiency of new energy is a problem that people need to solve. With the deepening of research, lithium-sulfur batteries have gradually become the next generation of batteries with great potential for use. Attributing to its high specific capacity and energy density, it costs less and secures safety. However, it was found in the study that the simple sulfur as the cathode electrode material of the battery has a low conductivity and cannot meet the performance requirements of the battery. In severe cases, the volume change of the electrode during operation may be caused, which may endanger the safety of the battery. This paper first introduces the development process, structure design and working principle of lithium-sulfur battery system, and puts forward the main problems faced by the system at present. Design experiments for this problem, using ZIF-67 array derivatives as carriers to modify the cathode material of lithium-sulfur batteries so as to improve the adsorption capacity of the cathode electrode material and inhibit the dissolution of the active material effectively by means of layouting a rational structure. This way is intended for the sulfur-modification, which can effectively improve the rate performance and cycle stability of the battery system.

Key words: Lithium sulfur battery; ZIF-67 array derivatives; Cathode materials; Rate performance; Cycle performance

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及研究意义 1

1.2 锂离子电池简介 2

1.3 锂-硫电池体系介绍 3

1.3.1 锂-硫电池发展过程 3

1.3.2 锂-硫电池的结构组成 4

1.3.3 锂-硫电池工作原理 5

1.3.4 锂-硫电池存在的问题 7

1.4 研究思路及内容 7

第二章 实验研究方法 9

2.1 实验仪器 9

2.2 实验药品 10

2.3 材料物性表征 10

2.3.1 SEM分析 10

2.3.2 TEM分析 10

2.3.3 EDS分析 11

2.3.4 XRD分析 11

2.3.5 XPS分析 11

2.3.6 TGA 11

2.4 电池测试方法 12

2.4.1 极片处理以及电池组装 12

2.4.2 循环伏安法测试 12

2.4.3 阻抗测试 13

2.4.4 倍率性能测试 13

第三章 ZIF-67阵列衍生物的制备及物性测试分析 14

3.1 引言 14

3.2 材料制备步骤 14

3.3 材料物性表征 16

3.3.1 XRD及XPS分析 16

3.3.2 SEM与EDS分析 18

3.3.3 TEM高分辨像分析 20

3.3.4 TGA 20

第四章 材料的电化学性能测试 22

4.1 循环伏安法测试 22

4.2 阻抗测试 23

4.3 倍率性能及充放电长循环测试 24

第五章 实验结论与展望 26

5.1 实验结论 26

5.2 展望 27

参考文献 28

致谢 30

第一章 绪论

1.1 研究背景及研究意义

21世纪以来，科技在全世界范围内迅猛发展，传统能源石油已经逐渐退出新时期能源行业发展的舞台，化石能源将会在不久的将来逐渐枯竭，据一次国际会议资料显示^[1]，在2006年，人类已开采了地球上18%的可开采石油，按照此速度，石油将在一百多年后彻底枯竭。而随之产生的环境问题也在不断升级，化石能源在漫长的形成过程中，其内部会有较多C、S、N化合物，一旦发生燃烧，一是会产生CO、CO₂等温室气体，产生导致全球变暖、气温骤升的“温室效应”；二是会生成SO_x和NO_x等污染物，严重影响环境，如由化学燃料的燃烧引起的“酸雨”现象。

相反，与可持续清洁能源相关的行业发展势头迅猛，如电子、信息等行业对此的需求日益增长，加之各国各地都在积极倡导新能源的开发与使用，因此如何提高新能源的运输、储存和使用效率则是当今世界急需解决的难题。由于移动电子产品和新型电动汽车对能量密度、充放电能力和长期的循环稳定性等的要求逐渐提高^[2]，过去的十几年中，亟需开发出新型化学储能体系，因此高性能电池成为人们研究的主要对象。

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