论文总字数：17603字

摘 要

本文首先论述了锂硫电池的充放电原理以及其优缺点。然后对应其缺点，我们提出了采用聚苯胺包覆TiO2/S的方法来解决锂硫电池的缺陷。锂硫电池主要有三个缺点：穿梭效应、体积膨胀以及S的正极导电性差。而采用聚苯胺包覆可以阻止多硫化锂向锂负极的迁移，从而减少穿梭效应的影响。其次，空心TiO2提供的空心结构可以有效解决锂硫电池体积膨胀的问题。此外，聚苯胺具有良好的导电性能，因此采用聚苯胺包覆的方法还可以有效的改善S正极导电性差的问题。本实验分为两个部分，第一个部分是对空心二氧化钛的制备及其电化学性能的研究，第二个部分是聚苯胺包覆改性空心二氧化钛。本实验采用化学合成法合成聚苯胺。实验后期对制备的正极材料进行XRD、SEM、TEM、TGA、充放电循环测试，循环伏安测试、交流阻抗测试等一系列测试，通过这一系列的数据对比进行分析，试验结束我们发现当二氧化钛与硫的配比为2：3时，其循环性能优于配比为1：1时，并且在进行聚苯胺包覆后，其电化学性能有一个很明显的提升。实验总体上是成功的，但在一些细节方面依然存在的一些问题，这还需要我们后期进行不断改进。

关键词：锂硫电池 正极材料 聚苯胺 空心结构

Preparation and Electrochemical Performance of Polyaniline Coated TiO2/S Cathode Materials

Abstract

Firstly, this article discusses the principle of charge and discharge of lithium-sulfur batteries and its advantages and disadvantages. Then, corresponding to its shortcomings, we propose to use polyaniline coated TiO2/S method to solve the lithium-sulfur battery defects. Lithium-sulfur batteries have three major drawbacks: shuttle effects, volume expansion, and poor S-electrode conductivity. The use of polyaniline coating can prevent the migration of lithium polysulfide to the lithium negative electrode, thereby reducing the effect of the shuttle effect. Second, the hollow structure provided by hollow TiO2 can effectively solve the problem of volume expansion of lithium-sulfur batteries. In addition, polyaniline has good conductive properties, so the method of using polyaniline coating can also effectively improve the poor conductivity of the S cathode. The experiment is divided into two parts. The first part is the preparation of hollow titanium dioxide and its electrochemical performance. The second part is polyaniline coated modified hollow titanium dioxide. In this experiment, polyaniline was synthesized by chemical synthesis. At the end of the experiment, the prepared positive electrode materials were subjected to XRD, SEM, TEM, TGA, charge and discharge cycle tests, cyclic voltammetry, AC impedance test, and a series of tests. Through this series of data comparison analysis, the end of the experiment we found that when the titanium dioxide When the ratio of sulfur to sulfur is 2:3, the cycle performance is better than when the ratio is 1:1, and after the polyaniline coating, the electrochemical performance has a very obvious improvement. The experiment was generally successful, but there are still some problems in some details, which also require us to continue to improve.

Keywords: Lithium-sulfur battery；Cathode material；Polyaniline；Hollow structure

目录

摘要 I

Abstract II

第一章：绪论 1

1.1锂硫电池的研究进展 2

1.2锂硫电池的充放电机理 4

1.3锂硫电池的缺点 4

1.4聚苯胺包覆TiO2/S正极材料的优势 5

1.5聚苯胺包覆TiO2/S正极材料的制备方法 7

1.6小结 7

第二章：实验过程 8

2.1实验药品 8

2.2实验仪器 8

2.3实验步骤 9

2.4正极片的制作 9

2.5纽扣电池的组装 10

2.6电池性能的测试 11

2.6.1 X-射线衍射分析 11

2.6.2 SEM测试 11

2.6.3恒流充放电测试 11

2.6.4电池循环寿命测试 11

2.6.5热重分析 11

第三章：结果与讨论 12

3.1样品的X射线衍射分析（XRD） 12

3.2 PANI@TiO2/S红外光谱图 13

3.3样品的扫描电子显微镜分析（SEM） 14

3.4样品的循环充放电曲线 15

3.5样品的循环寿命曲线 18

3.6热重分析 20

第四章 结论 21

参考文献 22

致谢 24

第一章：绪论

伴全球经济的迅速发展，能求不断增长以及环染日益严重，研发具能量密度、高寿命、高安全性、环境友好以本低廉的二次电池在新能源领域具有重大的意义。与铅酸电池、镍镉电池这些传统次电池相对比，锂离子电池具备放电电压高、循命长、能量密度高、环境友好等优势，因此迅领了小型电动车、便携式电备、电动工等领域的分市场。到在为止，离子电用领已盖至电车、通信、能、国防、航空等领域，成21世纪应用前广泛的储能器件之一。在（离子）电池体系当中，正极材料一直是阻碍电发主要难关．传统酸盐和过属氧化等正极材.料, LiFe，因为其理论储量的瓶颈限难以维速发展的市需求．因此，寻找并开发新型高比、性高、价格的正极材料是研热点．以单为正极的^[1]，其中具有较的理(1675mAh / g)以及能度（2600Wh / kg），且兼有廉价、环保等优点，已经成为下一代的开发和研究的重点背景下,情况已然成为研究领域的热点问题，锂-硫电池的研究又是其热门分支。锂硫电池是一种很有希望的下一代储能装置，因为其能量密度高（2600 W HKG1）^[2]，比现有的锂离子电池成本低。但实际应用受到低硫利用和循环寿命差的限制。以前的研究主要集中在限制穿梭和通过组合碳提高电极的导电性或通过导电聚合物和非碳化学品来捕集硫^[3]。然而，在许多情况下，这些不活泼的组分占据大的空间和重量，这降低了电池的能量密度。因此，开发一种更有效的抑制穿梭的方法是很重要的。隔板和阴极之间的夹层已经被设计用来堵住活性物质的穿梭^[4]。碳材料，金属化合物和它们的复合物已经被用来形成这样的层。碳材料充当理想的轻质屏障，尤其是中间层。菲涅尔涂层能够延长电池寿命，而作为非活性材料，在不增加多余重量和体积的情况下组装电池。但是碳仅能阻止多硫化物扩散，因为它们的非极性表面对极性分子的亲和性很差。因此，金属化合物被引入化学诱捕器，如金属氧化物（如TiO2）和金属氮化物（如锡），这在电池正极材料中得到了广泛的研究^[5]。典型地，具有强吸附性，可以吸附多硫化物的TiO2已经被掺入中间层。然而，由于其固有的低电导率，固定化的多硫化物仍留在表面上，使得它们很难完全参与电化学反应。因此，在正常情况下，合成碳是必要的，因为多硫化物必须扩散到导电碳表面以实现转化，这导致慢反应动力学和低阻塞效率^[6]。由于吸附位点数量有限，不允许高硫负载，这种捕集-扩散转化过程逐渐中断，更糟的是，由于不溶性和绝缘性硫化锂的积累，吸附效率大大降低^[7]。直径为30nm的偏振光导体，如锡，既能提供氧化还原反应的吸附位点，又能提供高导电性，但其吸附能力弱于TiO2^[8]。一般来说，理想的中间层将同时产生吸附和转化，这对于实现高硫负载的长期循环稳定性是重要的。

1.1锂硫电池的研究进展

利用单作为正极材料最早是由t和Ulam在1962出．通用汽车司曾提出以正极活性材料的池^[9]，并将该于他们一始的。1976年等人把用为，用为负功开发出二次电，并对其进行了中验研究，然而由于锂等一系列的问题而最终未能将其实品化．锂离子电池在过去的二十年里变得非常突出，尤其是便携式电子产品，因为锂离子电池比其他可充电系统的能量密度高得多。目前的锂离子电池技术基于嵌入式复合阳极材料和阴极材料，限制了它们的电荷储存能力和能量密度。需要通过提高阳极和阴极材料的电荷存储容量或提高电池电压或两者结合来实现能量密度的进一步增加。然而，目前可用的液体电解质的有限的电化学稳定性窗口使得将阴极工作电压增加超过4.3V是很困难的。此外，插入氧化物阴极的容量已达到约250mAhg-1的极限。另一方面，石墨阳极的容量也限制在370mAh g-1^[10]。因此，需要开发更高容量的替代阴极和阳极材料就显得迫在眉睫。为了克服插入复合电极的电荷存储限制，在容纳更多离子和电子的同时进行转换反应的材料正成为一种有前途的选择，但是这具有很大的挑战性。从这个角度来看，例如，高能量的Li-O2和Li-S电池正在被深入研究。然而，伴随电化学反应的巨大体积变化，怎样维持长期循环期间电化学有利的电极结构是一项挑战。

而在1990年，公司正市场上推出结构为Ｃ（焦炭）的第一代商品化离子^[11]。经过多年的发不断改进，的生产工艺日完善．伴随着其在电动工具、移动源、笔记本电脑、家电、电动车以及军用设备等各个的广泛运用，人们对在能量上提出了更高的求，因此，具有的锂－池又重新受到了究工作者的关注．

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