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层网结构硫炭正极材料合成工艺研究

【摘要】:锂硫电池由于其理论容量和能量密度方面具有很大的优势成为下一代极具应用前景的储能体系。随着近年来研究的不断深入,针对其规模化技术开发面临的问题也日益突出,以正极材料的制备技术为例,由于过多的非活性物质的添加大大降低了硫含量导致其体积能量密度不高,同时制备工艺复杂、生产效率受限又使得其技术转化和应用非常困难。本文以合成高硫含量、高制备效率的硫碳材料为目标:首先采用压延法制备层状结构硫碳(Super P,记为“sp”)材料并通过改变变形度、硫碳比,以形貌、电化学性能为指标讨论了压延法制备层状结构硫碳正极材料工艺可行性;其次,引入蔗糖包覆原位炭化法合成了网状硫炭(含sp)材料,并通过改变包覆比例,最终确定原位炭化法合成网状包覆结构的硫炭(含sp)正极材料工艺可行性;最后,综合应用压延法和蔗糖包覆原位炭化法的工艺路线,在此基础上引入正交实验讨论分析层网结构硫碳正极材料合成工艺路线和合适的工艺参数。在本研究条件下所得主要结果如下:(1)压延变形度显著影响层状结构的硫碳(sp)正极材料的硫层厚度和层间距,硫碳(sp)比显著影响碳层的密度。采用压延处理工艺,在硫碳(sp)质量比=9.5:0.5、变形度90%的条件下,可以制备得到具有清晰、致密层状结构的硫碳正极材料。(2)包覆比例显著影响原位炭化包覆硫网络结构的连续完整性,采用蔗糖包覆、原位炭化(100℃~120℃)处理工艺,在炭硫包覆比例为4%、硫/(碳(sp)炭)质量比=9.5:0.5的条件下,可以可靠合成具有清晰、连续网状包覆结构的炭(含sp)包覆硫正极材料。(3)提出了蔗糖包覆100℃~120℃原位炭化形成连续均匀网络包覆硫结构,再通过压延处理进一步获得具有叠层结构的层网结构的硫炭(含sp)正极材料合成工艺技术路线。合适的工艺技术参数为:变形度90%、变形温度60℃、压延道次1,炭/硫质量比=4%,碳(sp)/硫质量比=9.5:0.5。所制备的层网结构硫炭(含sp)正极材料,载硫率约95%,其首次放电比容量为1150 mAh/g(0.1C倍率),在0.5 C倍率下循环100次的放电比容量为566.1 mAh/g。

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