摘 要

随着经济的发展，各种电子设备的需求量越来越大，对电池性能的要求也越来越高，传统的锂离子电池已经不能满足未来的需求，而新兴的锂硫电池及锂硫化硒电池也存在着诸如正极导电性差、体积膨胀、穿梭效应等诸多问题，本论文主要对传统锂硫化硒电池的正极进行了改性，以介孔碳材料的MOF结构作为其前驱体，对硫化硒进行吸附制备复合正极。

实验以二甲基咪唑、六水合硝酸钴为原料，以碳布为三维碳基材料，通过共沉淀法制备了MOF阵列，经过在氩气（Ar）氛围煅烧，再用混合酸除去钴（Co）的技术路线来制备改性正极并组装电池。通过充放电曲线测试、长循环测试、倍率性能测试等进行了其电化学性能的表征。

实验结果显示，改性后的锂硫化硒电池无论是在循环性能、库伦效率还是倍率性能上均优于传统的锂硫化硒电池。

关键词：锂硫电池 锂硫化硒电池 MOF 体积膨胀 穿梭效应

MOF-derived nitrogen-doped carbon for high performance

Li-SeS₂ batteries

Abstract

With the development of economy, the need for various electronic tools is increasing, and the claim for battery ability is becoming higher and higher. The traditional lithium-ion battery can no longer meet the future demand, and the emerging lithium-sulfur battery and lithium sulfide Selenium batteries also have many problems such as poor conductivity of the positive electrode, volume expansion, shuttle effect, etc. In this paper, the positive electrode of the traditional lithium selenide battery is modified, and the MOF structure of porous carbon material is used as its precursor to selenium sulfide. Adsorption preparation of composite positive electrode.

The MOF array was prepared by co-precipitation method using dimethylimidazole, cobalt nitrate hexahydrate as raw material and carbon cloth as three-dimensional carbon-based material. After calcination in argon (Ar) atmosphere, cobalt (Co was removed by mixed acid). The technical method is used to make the optimized positive pole and intergrate the battery. Characterization of electrochemical properties by charge-discharge curve test, long cycle test, rate performance test, etc.

The test results show that the modified lithium sulfide selenide battery is superior to the traditional lithium sulfide selenide battery in terms of cycle performance, coulombic efficiency and rate performance..

Keywords：Lithium sulfur battery, Lithium selenium sulfide battery, MOF, Volume expansion, Shuttle effect

目录

摘要 I

Abstract II

目录 1

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2锂硫电池 2

1.2.1锂硫电池的构成以及运行过程 2

1.2.2锂硫电池的优点和缺点 3

1.3改性正极材料——锂硫化硒电池 5

1.3.1杂原子掺杂碳材料的研究 5

1.3.2非金属单质的研究 6

1.3.3介孔碳材料 6

1.4介孔碳材料的MOF结构 6

1.5研究的目的、研究的内容以及要解决的问题 7

1.5.1研究的目的 7

1.5.2研究的内容 8

1.5.3要解决的问题 8

1.6可行性分析 8

1.6.1MOF三维阵列的制备 8

1.6.2氮掺杂的介孔碳材料用于吸附硫化硒（SeS₂） 8

第二章 实验方法 10

2.1实验所用的药品和原料 10

2.2实验所用的设备和仪器 10

2.3复合电极材料化学性能表征手段 11

2.3.1 XRD 11

2.3.2 SEM 11

2.3.3 XPS 11

2.4复合电极材料电化学性能表征手段 12

2.4.1循环性能 12

2.4.2倍率性能 12

2.4.3阻抗 12

2.5实验流程 12

2.5.1碳布的活化 12

2.5.2MOF阵列的合成 12

2.5.3MOF阵列在氩气（Ar）氛围中的煅烧热处理 13

2.5.4MOF阵列除钴（Co）过程 13

2.5.5MOF前驱体吸附硫化硒（SeS₂） 13

第三章 性能表征 14

3.1物相的分析 14

3.2形貌的分析 14

3.3成分的分析 15

3.4电化学性能的分析 16

3.4.1充放电曲线 16

3.4.2倍率性能 16

3.4.3循环性能及库伦效率 17

3.4.4阻抗 17

第四章 结论与展望 19

4.1实验结论 19

4.2实验展望 19

参考文献 20

致谢 23

第一章 绪论

1.1引言

经济的发展以及技术的发展快速地增加了人们的能源需求。开发地球上存储能源的速度越来越快，全球多个领域已经出现了能源资源危机。在所有的能源种类中，太阳能、风能、潮汐能、化学能等都是重要的能量来源，并且一些能源如太阳能、风能等相较于化学能等更加清洁，来源更加广泛。但是遗憾的是，这些清洁的能源并不能被直接利用，而化学能等其他能源也很不稳定。只有把这些能源转化为电能储起来，才能为人类更加方便有效地利用。长久以来，如何把自然界的能源转化为人类可以直接利用的电能存储起来，一直是科学家们所研究的重要课题。目前已经被研究成功的电池是实现这种能量转化的重要途径。人们已经成功地研究出了铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锌镍电池、锂离子电池以及新型锂硫电池和锂空气电池等不同的电池，它们的参数如下文表 1-1 所示。

表1-1 不同电池及其不同参数

与此同时，电子设备、电动汽车等对电池重度依赖的各类电子设备越来越多，其续航能力、功率等越来越重要，因而对电池的性能要求也越来越高。在各种电池中，锂电池因使用寿命长、工作温度范围广、绿色环保等优点一直受到人们的青睐。然而，即使传统的锂电池达到其能量密度的极限（比容量：250mAhg^-1 ,比能量：800WhKg ^-1）[2-3]，也仍然无法满足电动汽车等设备的需求。因而，研究者们把研究的方向转向了锂硫电池，因为锂硫电池的比能量和其他的电化学参数更胜一筹。

1.2锂硫电池

1.2.1锂硫电池的构成以及运行过程

锂硫电池和传统的锂电池的结构组成比较像，在相同的方面，它们都是由正极、负极、隔膜以及电解质溶液构成，参加正极构成的材料一般情况下是由硫或者导电性比较高的材料通过和硫复合形成，有比较高导电性的材料一般是含有碳的材料。但是采用复合正极的方法虽然能够增强电极的导电性，但是导电性物质单纯是被用来作为传输电子的通道，而不参与电极反应，这就在一定程度上增加了电极的整体质量，进而导致正极在实际电池中的能量密度降低。负极采用锂金属单质。锂是一种活性很高的物质，用于负极反应效果很理想，但是高活性也意味着很容易发生化学反应，使用的时候要更加注重安全。电解质溶液主要是锂盐溶液，其结构示意图如图1-1所示[4]。

相关图片展示：