论文总字数：22221字

摘 要

近年来，随着电动汽车的发展，储能电池的研究逐渐成为热门话题，受到了全世界的广泛关注，但是目前商用锂离子电池能量密度已接近理论上限（300 Wh/kg），导致无法完全取代传统燃油汽车，尤其在长途或家用方面。因此，迫切需要一种高能量密度的新型电池技术来填补这一短板。多价离子电池（如钙、镁和铝离子电池）由于其单个原子可转移多个电子，即理论比容量更大，因此，受到了广泛关注。

本论文通过简单的一步干热方法制备了分散均匀的硫碳复合物（S/C），用于钙离子电池正极材料，利用旋转环盘电极（RRDE）探明了在不同供体数（DN）溶剂中硫分子的氧化还原反应特性，通过组装钙-硫全电池并测试其电化学性能，从而进一步验证了溶剂DN对硫氧化还原过程的调控行为，最后通过设计电解液成分来调控钙离子在电解液中的溶剂化作用并降低充电反应过电势从而达到更加优异的电化学性能，主要内容如下：

1. 通过将硫单质和碳材料物理混合后在惰性气体保护下通过干热的方法制备了分散均匀的硫碳复合材料（S/C），并利用扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析仪（EDS）和X射线衍射仪(XRD)等表征方法对所制作的S/C电极进行分析，证明硫单质以微小颗粒分散在碳材料中。
2. 配置不同溶剂中饱和的S₈电解液，在一定的转速下，分别控制盘电极和环电极电流和电位来研究S₈分子在氧化还原过程中的界面反应特性。
3. 以上述制备的S/C复合电极作为正极，钙金属作为负极，组装钙-硫全电池。控制电解液溶剂和电解质盐成分来探究钙离子在电解液中溶剂化不同对钙硫电池充放电性能影响，进而指导具有优异电化学性能的钙-硫电池用有机电解液设计。

关键词: 硫氧化还原过程；供体数；溶剂化；钙-硫电池

Abstract

In recent years, with the development of electric vehicles, the research of energy storage batteries has gradually become a hot topic and has received widespread attention worldwide. But the energy density of commercial lithium-ion batteries is currently close to the theoretical upper limit (300 Wh / kg), resulting in incomplete replace traditional fuel vehicles, especially in long-distance or home use.

Therefore, a new battery technology with high energy density is urgently needed to fill this shortcoming. Multivalent ion batteries (such as calcium, magnesium, and aluminum ion batteries) have received widespread attention because their single atoms can transfer multiple electrons, which means that the theoretical specific capacity is larger.

In this thesis, a simple one-step dry heat method was used to prepare a uniformly dispersed sulfur-carbon composite (S/C), which was used as a positive electrode material for calcium ion batteries. The rotating ring disk electrode (RRDE) was used to determine the redox reaction characteristics of sulfur molecules in the different donor number (DN) solvent. Assembling a calcium-sulfur full battery and testing its electrochemical performance to further verify the influence of the solvent’s DN on the sulfur redox process. Finally, obtaining more excellent electrochemical performance by designing the electrolyte composition, which reduced the solvation of calcium ions in the electrolyte and lowered the overpotential of the charging reaction. The main contents are as follows:

1. After physically mixing the sulfur elemental and carbon material, a uniformly dispersed sulfur-carbon (S/C) composite material is prepared by a dry heat method under the protection of inert gas. Using a scanning electron microscope (SEM), an energy spectrum analyzer ( EDS), X-ray diffractometer (XRD) and other characterization methods analyze the fabricated S / C electrode and proving that the sulfur element is dispersed in the carbon material as fine particles.

2. Configuring the S₈ electrolyte saturated in different solvents. And controlling the current and potential of the disc electrode and ring electrode at a certain speed to study the interface reaction characteristics of the S₈ molecule during the redox process.

3. Using the prepared S/C composite electrode as the cathode electrode and calcium metal as the anode electrode, assembling a calcium-sulfur full battery. Controlling the electrolyte solvent and electrolyte salt composition to explore the effect of different solvation of calcium ions in the electrolyte on the charge and discharge performance of calcium-sulfur batteries. And then guide the design of organic electrolytes for calcium-sulfur batteries with excellent electrochemical performance.

Key words: Sulfur redox process; Donor number; Solvation; Calcium-sulfur battery

目录

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 钙离子电池简介

1.2.1 钙离子电池发展

1.2.2 负极材料

1.2.3 正极材料

1.3 钙-硫电池的简介

1.3.1 钙-硫电池的结构及其特点

1.3.2 存在问题及其解决方法

1.4 研究目的及主要内容

1.4.1 研究目的

1.4.2 主要内容

第二章 实验材料和实验过程

2.1 实验试剂与仪器

2.1.1 实验试剂

2.1.2 实验仪器

2.2 电池组装及测试

2.2.1 电极的制备

2.2.2 电池的组装

2.3 材料表征

2.3.1 扫描电子显微镜(SEM)表征

2.3.2 X-射线衍射分析（XRD）

2.4 电化学表征

2.4.1 旋转环-盘电极测试（RRDE）

2.4.2 电池充放电循环测试

第三章 实验数据与结果

3.1 硫-碳正极材料表征

3.1.1 XRD分析

3.1.2 SEM表征

3.1.3 能谱表征

3.2 电池电化学测试

3.2.1 S₈氧化还原过程分析

3.2.2 电池充放电循环测试

第四章 结论与展望

4.1 结论

4.2 展望

参考文献

致谢

第一章 绪论

1.1 引言

由于化石燃料的不断开采消耗，化石燃料的储量逐渐减少，最终将会枯竭，而依靠传统化石燃料提供动力的燃油汽车最终也会被淘汰。并且由于环境问题，包括中国在内的几个国家正在考虑在21世纪中期禁止汽油或柴油动力车辆^[1]，这极大的促进了电动汽车行业的发展。

目前，可充电锂离子电池（LIBs）由于良好的循环寿命和可靠的性能等特征，主导着电动汽车市场^[2]。但是，由于目前锂离子电池达到能量密度相对较低，例如目前锂离子电池常用的石墨负极的理论比容量仅为372 mAh/g^[3]，因此，将锂离子电池作为电动汽车的动力来源，使得可实现的行驶里程有限，这严重阻碍了电动汽车市场的增长。并且对于锂离子电池，想要通过增加电池的能量密度来不断增加行驶里程是非常困难的，因为人们普遍认为，锂离子技术正在达到其能量密度能力的极限^[4,5,6]。这便促使人们寻找提高锂离子电池能量密度的策略或者可替代锂离子电池的的能源储存并转换的技术，例如锂-空气电池^[7,8]，锂-硫电池^[7,9,10]，钠离子电池和多价离子电池^[11]等等。

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