碳硫复合正极材料的构建及其镁硫电池性能文献调研开题报告

1.1研究背景

巨大的工业进步是由技术的发现所推动的，起初这些技术通过燃烧化石燃料来提供工业所需的能源。通过自然过程，这些化石燃料在地质时期内沉积在地壳中。由于它们的开采率超过了它们的形成率，可以预期这些储量的可得性将全面下降。尤其是近百年来，世界经济的迅速发展使自然资源的消耗量不断增加，全世界人口数量的增长，使得能源的消耗量大幅度增加。人类对石油、天然气等不可再生能源的依赖度远远大于其它能源，且由于人类的过度开发，化石能源等不可再生资源在地球上的储存量己急剧减少。同时，化石能源的大量使用带来了极其严重的环境污染问题，特别是近年来我国部分省份出现的雾霾，不仅严重影响了人们的正常生活，也极大危及人们的身心健康。因此，为了保证人类赖以生存的地球家园的可持续发展，一次能源向可再生替代能源的转变已经成为必然趋势，发展迅速。这些技术的实施，包括直接风光发电，可能标志着一个新的工业时代的到来。新能源发电技术尤其风光发电需要配套先进储能技术，以弥补这种替代新能源发电技术的间歇性特点，避免弃风弃电，并满足按需或按时间表提供持续稳定电力，类似于现有电网所提供的电力。

就储能电池的需求而言，随着电动汽车和电网规模储能系统的快速市场扩展，更高的能量密度和更安全的性能已经成为当务之急。虽然锂离子电池已经成为储能系统的研究热点之一，并取得了很大的进展，但锂金属阳极的枝晶问题仍然难以从根本上得到解决。受限于能量密度较难提高的锂离子电池将不能满足未来对储能要求越来越高的市场。而具有高能量密度的燃料电池成本依然较高，使其难以投入市场作为主流的储能与转换设备。因此，研究和开发高能量密度、低成本及环境友好的二次电池是必然的趋势。

在多种可能的电池化学反应中，锂最受欢迎的替代方法是使用金属镁。这有几个原因，主要原因是镁原料的丰富(镁是地壳中第8丰富的元素，而锂是第25丰富的元素)，使它们比锂便宜20到50倍，例如，MgCO₃和Li₂CO₃分别为每吨265美元和每吨5000美元，在性能方面，低成本的镁负极与SHE(标准氢电极)相比，可产生-2.37V(Mg/Mg2 )的标准还原电位和较大的理论电化学容量(约3832mAh cm^-3)，在相同的电流密度下，与锂相比，Mg电沉积具有更平滑的形态，不易形成镁枝晶，无安全隐患。光滑的形貌可能是由于镁的自扩散系数与锂的不同。镁中的自扩散势垒比锂中的低得多，允许在电沉积过程中金属表面的结构重排。 尽管最近对于镁基可充电电池，尤其在电解液和正极材料领域所获得的成就和对镁离子电池化学的基本认识仍然缺乏，急需进一步的探索。

1.2研究的目的和意义

镁电池的主要挑战来自于正极材料在电化学充放电过程中的多价镁离子的缓慢动力学、高性能电解液的缺少、电极材料与电解液兼容性差。发展新型电解液实现镁负极有效且可逆地剥离/电镀金属镁离子，正极材料高效可逆嵌脱镁离子，仍然是一个重要且基础的科学挑战。在这方面，高能量密度转换型正极材料，如硫与镁负极结合有不错的前景，以硫作为正极材料的镁硫电池具有3200Wh/L 的超高理论能量密度，且硫资源丰富、成本低廉和环境友好，其成功研发必将在动力电池领域展现出巨大应用价值, 镁硫电池已经成为新型非锂绿色高能电化学储能电池研究的新热点。但硫的电导率极低、多硫化锂溶解迁移等问题导致硫活性物质损失、利用率低、循环寿命差，阻碍了其产业化进程。因此，研究适合硫正极的改性方法来提高电极的电导率具有极大的意义。

目前对硫正极的改性主要是将硫和导电材料进行复合以提高电极整体的电子和离子电导率，采用具有多孔结构的材料可以吸附易溶解的多硫离子从而提高活性物质的利用率。最常研究的材料包括碳材料、导电聚合物、金属氧化物或硫化物以及金属有机框架及其衍生物等。碳材料具有良好的导电性，经过特殊结构设计后可以用作硫的支撑材料，提高正极导电性，优化活性物质分散。且具有多孔结构的碳材料还能吸附易溶的多硫离子，从而减少活性物质的损失进而提高电池的容量和循环寿命，因此碳材料在硫正极中的应用得到了广泛研究。调研、分析、总结硫正极材料结构及其镁硫电池性能，利于厘清电池性能与正极材料结构的规律性关系，为设计先进硫正极材料提供素材和思路，推进镁硫电池新技术的研发速度，为未来新能源技术发展提供更安全高能绿色的电池新技术。

2.1 主要研究内容

1、镁硫电池的设计方法。

2、镁硫电池的电化学性能。

3、碳硫复合正极材料的构建方法、结构以及其结构与性能之间的规律性关系。

2.2 预期目标

1、通过调研了解多种镁硫电池构建方法及相应镁硫电池的电化学性能。

2、归纳出合适的碳硫复合正极材料的构建方法、结构以及其结构与性能之间的规律性关系。

1、查阅相关文献，调研国内外镁硫电池设计方法的研究进展和发展状况。

2、查阅相关文献，调研国内外碳硫复合正极材料构建的研究进展和发展状况。

3、分析总结调研文献，归纳碳硫复合正极材料的构建方法、结构以及其结构与性能之间的规律性关系。

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