摘 要

锂硫电池是一种具有高能量密度的锂电池体系，锂硫电池理论比容量为1675mAhg^-1,普遍高于其他锂离子电池，并且硫的价格低，储量高，低毒无公害，近几年受到了广泛地关注。但由于单质硫和硫化锂的电子绝缘效应以及其放电产物多硫化物溶解于液体电解液中引起的“穿梭效应”严重影响着锂硫电池的实际比容量和循环性能。本文通过合成表面氮掺杂的介孔碳材料，并进行化学活化，然后对所合成材料进行表征。并组成锂硫电池，利用电化学方法检测体系的容量、功率和循环性，研究氮掺杂微介孔碳材料对锂硫电池性能的影响。

关键词：锂硫电池； 氮掺杂介孔碳；化学活化

Abstract

Lithium sulfur battery is a lithium battery system with high energy density of lithium sulfur batteries, the theoretical capacity is 1675mAhg-1, is generally higher than other lithium-ion batteries, and sulfur, low price, high reserves, low pollution, in recent years has received extensive attention. But because of the sulfur and sulfur lithium electronic insulation effect and its discharge product polysulfide dissolved in liquid electrolyte caused by the "shuttle" effect seriously affects the lithium sulfur battery actual capacity and cycle performance. The synthesis of mesoporous carbon material surface nitrogen doped, and chemical activation, then the characterization of the synthesized materials. And the composition of lithium sulfur battery use. Electrochemical detection system capacity, power and cycle, effect of nitrogen doped micro mesoporous carbon materials on the performance of lithium sulfur battery.

Key Words：Lithium sulfur battery； nitrogen doped micro-mesoporous carbon；Chemical activation

目录

摘要 I

Abstract II

第1章绪论 1

1.1锂离子电池体系 1

1.2锂-硫电池体系 3

1.2.1 锂-硫电池的正极材料 4

1.3氮掺杂微介孔碳材料应用前景 7

1.3.1氮掺杂简介 7

1.3.2氮掺杂碳材料方法简介 7

第2章实验内容 8

2.1实验试剂及实验仪器 8

2.2 RF-1及RF-2的合成方法 9

2.2.1 立方RF-1的合成 9

2.2.2 六方RF-2的合成 9

2.2.3 RF-1-900及RF-2-900的活化 9

2.3碳硫复合材料的制备 9

2.4涂膜法制备电极材料 10

2.5电池制备 10

2.6性能测试 11

2.6.1恒电流充放电 11

2.6.2循环伏安测试 11

2.7 材料表征与测试 11

2.7.1低温N2吸附／脱附 11

2.7.2 XRD测试 12

2.7.3 电化学测试 12

第3章材料表征 13

3.1低温N2吸／脱附曲线 13

3.2复合材料的XRD图 14

3.3电化学测试 15

3.3.1 CV测试 15

3.3.2 循环充放电 16

第4章结果与讨论 19

4.1 氮的吸/脱附曲线 19

4.2 XRD 图谱分析 19

4.3 CV图谱分析 19

4.4 循环充放电 19

第5章结论 20

参考文献 21

致谢 24

第1章 绪论

随着社会的发展，化石燃料的日益枯竭及其燃烧所造成的环境污染成为了阻碍人类可持续发展的难题，因此开发太阳能、风能等清洁能源迫在眉睫，锂电池体系作为一种高效的储能装置备受青睐。

目前常用的电池有一次电池和二次电池，一次电池是放电后不能再充电重复循环使用的电池,包括锌锰电池、碱锰电池等,在便携式电子设备中使用较多;二次电池也称为可充电电池,能够多次充电重复循环使用,主要包括铅酸电池、镍氢电池、镍镉电池和锂离子电池^［1］。锂离子电池体系因具有工作电压高、能量密度大(重量轻)、无记忆效应、循环寿命长以及无污染等优点，在近年已经成为各类电子产品的首选电源。但是随着移动互联网时代的来临、电子设备小型化以及电动自行车、电动汽车、大型储能电站进入大规模发展和应用阶段，对锂离子二次电池提出了更高比容量的要求^［2,3］。但其受到了正极材料比容量近一步提高的限制，其比能量很难有较大改变, 因此需要发展新的电化学储能体系来解决这一问题。在锂（离子）二次电池体系中，正极材料一直是制约电池发展的瓶颈。传统的过渡金属氧化物和磷酸盐等正极材料如LiCoO_2, LiNiO₂和LiFePO₄等,由于其理论储锂容量的限制已难以满足快速发展的市场需求。因此,寻找和开发新型高比能量、安全、廉价的正极材料是目前研究的热点，以单质硫为正极的锂-硫二次电池，其中硫正极具有高的理论比容量（1675mAhg^-1），且单质硫具有价格低廉、资源丰富、对环境友好等优点，已成为下一代高能密度锂二次电池的研究和开发的重点。 ^[4-9]

1.1锂离子电池体系

Gaston Plante在1859年正式提出了铅酸电池的概念， 从此之后，在电池方面化学界一直致力于寻找高比能量、高循环寿命的电池体系，到目前为止，出现了铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、锂聚合物电池等类型的电池体系。

锂离子电池是一种二次电池（充电电池），它主要依靠锂离子在正极和负极之间的移动来工作。在充放电过程中，锂离子在正负两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，锂离子从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。电池一般采用含有锂元素的材料作为电极，是现代高性能电池的代表。

埃克森的M.S.Whittingham于1970年制作了第一个锂电池，他使用了硫化钛作为电池的正极材料，金属锂作为负极材料。锂电池的正极材料是二氧化锰或亚硫酰氯，负极是锂。电池组装完成后电池即有电压，不需充电。锂离子电池(Li-ion Batteries)是锂电池发展而来。举例来讲，以前照相机里用的扣式电池就属于锂电池。这种电池也可以充电，但循环性能不好，在充放电循环过程中容易形成锂结晶，造成电池内部短路，所以一般情况下这种电池是禁止充电的。1982年伊利诺伊理工大学(the Illinois Institute of Technology)的R.R.Agarwal和J.R.Selman发现锂离子具有嵌入到石墨的特性，此过程是快速的，并且可逆。锂离子电池发展到这个时期，人们对于采用金属锂制成的锂电池的安全隐患十分关注，因此人们尝试利用锂离子能嵌入到石墨的特性制作充电电池。不仅提高了锂电池的性能，同时也提高了锂电池的安全性。贝尔实验室成功地制成了第一个能够使用的锂离子石墨电极。M.Thackeray、J.Goodenough等人在1983年发现了锰尖晶石是优良的正极材料，因为锰尖晶石不仅具有优良的导电、导锂性能，价格低廉性能稳定。更重要的是它分解温度高，并且氧化性远低于钴酸锂，即便出现了短路、过充电等情况，也能够避免燃烧、爆炸的危险，大大提高了使用的安全性。1989年，A.Manthiram和J.Goodenough发现采用聚合阴离子作为电池的正极将产生更高的电压，电池性能得到进一步的提升。1992年日本索尼公司发明了以碳材料为负极，以含锂的化合物作为正极的锂电池，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。随后，锂离子电池革新了消费电子产品的面貌。此类以钴酸锂作为正极材料的电池，至今仍是便携电子器件的主要电源。1996年Padhi和Goodenough发现具有橄榄石结构的磷酸盐，如磷酸铁锂(LiFePO4)，比传统的正极材料更具安全性，在耐高温、耐过充电性能上远超过传统锂离子电池材料。因此已成为当前主流的大电流放电的动力锂电池的正极材料。