椰壳活性炭的孔隙结构和锂电池的性能有着微妙的联系

来源:美源净水 时间:2016-08-03 点击次数:

     锂离子电池以其 特有的性能优势广泛应用于便携式设备 ,如手提电脑 、摄像机和各种移 动通讯设备。目前 ,大容量锂离子电池已在电动汽车中开始使用。经过多年的发展,传统的以嵌锂化合物(如LiMn2O、LiCoO2、LiFePO4)为电极材料的锂离子电池的容量已接近于其 理论比容量(<300mAh/g), 但仍无法满足目前的能量需求,因此开发具有高能量密度的新型储能体系势在必行。
     锂硫电池是以金属锂作为负极,硫作为正极,基于电化学反应16Li+S8-8Li2S而构成的新型二次电池体系,其理论比容量为1675mAh/g,能量密度为2600Wh/kg,远远高于传统锂离子电池 。 锂硫电池因其比容量高、价格低廉、安全无毒以及原料来源丰富等优点受到越来越多的关注。然而,单质硫及其放电产物Li2S/Li2S2的绝缘性,以及充放电过程中生成的中间产物多硫化锂的溶解性和穿梭效应造成的容量衰减、循环性能下降问题,阻碍了其商业化进程 。
     为了解决这些问题,可用导电性良好的基体材料构建成三维多孔结构,并将S负载在孔隙中,在充放电过程中,电子通过三维导电网络输送到反而界面上,Li+则通过相互连通的孔道扩散到反应活性点,使得电化学反应顺利进行。碳材料由于导电性良好,结构多样,成本低廉,且便于制备成高比表面积和高孔隙率的多孔结构被广泛应用到Li-S电池中,并取得了良好的效果,如碳纳米管、石 墨 烯、中空炭微球、分级多孔炭等。
     椰壳活性炭具有高比表面积和高孔隙率,并且通过不同的制备工艺可以调节其孔结构,将硫装填在其微孔中,可制备成Li-S电池的正极材料,表现出良好的电化学性能和循环稳定性。由于椰壳活性炭孔隙率高,可用于负载尽可能多的单质硫,有利于提高Li-S电池的储能密度。同时,椰壳活性炭中丰富的微孔具有极强的吸附能力,延缓了多硫化物向孔外的扩散,从而抑制了多硫化物的穿梭效应,提高了电池的库伦效率和循环稳定性。多孔炭的孔结构和比表面积对锂硫电池电化学性能有重要的影响。
     为证实此观点我们以椰壳为原料,采用化学活化法 制备不同比表面积和孔结构的活性炭,通过改变制备工艺参数来调节活性炭的比表面积和孔结构。将活性炭负载60%(质量分数)硫后,作为锂硫电池的正极材 料,研究活性炭孔结构对锂硫电池性能的影响。结果表明:随着活性炭比表面积的增加,中孔比例增加,锂硫电池比容量逐步提高。其中,当活化剂与炭化料的质量 比为4时,活性炭的比表面积达到2900m2/g,中孔率达到15.36%。在电流密度为200mA/g时,首次放电比容量高达1294.5mAh/g, 循环100次后的可逆比容量仍然高达809.3mAh/g。
     通过实验重返说明了此观点的成立,相信不久的将来椰壳活性炭发展将进入一个新的高度。

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