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锂硫电池高性能碳基正极材料设计构筑及其储锂性能研究

【摘要】:锂硫电池是一类极具发展前景的新型高容量储能体系,具有理论能量密度高、低成本、绿色环保等突出优点,其理论比容量高达1672 mAh g-,构成的锂二次电池体系理论比能量密度可达2567 Whkg-1,是目前商业化锂离子电池的数倍,在新能源汽车用动力电池等新兴技术领域显示出广阔的应用前景。然而,受限于单质硫的绝缘特性及其在电解液中溶解导致的“穿梭效应”,锂硫电池的硫正极活性差、利用率低、容量衰减快,大大限制了其性能发挥和实际应用。针对以上问题,本论文分别基于物理限域和化学吸附原理,通过构筑高导电性的三维多级孔道结构碳/硫复合正极材料和硫/碳-二氧化锰复合中空纳米结构正极材料,提高电极的荷质传输动力学及结构稳定性,实现高效固硫。具体研究内容如下:1)发展了金属盐辅助聚合物自发泡法构筑三维多级孔道结构碳材料的技术策略,进一步通过熔融法负载硫材料,获得具有三维多级孔道结构的碳/硫复合正极材料,硫含量达65wt.%。得益于其独特的纳米孔道结构,其中微孔、介孔作为锂硫反应纳米反应器,物理限域固硫,大孔促进离子传输动力学,三维碳结构提供连续电子通路,此类材料表现出优异的电化学性能。在0.5 C电流密度下首次放电比容量高达950 mAhg-1,2-5C大电流密度下,放电比容量可达620-750 mAh g-1,循环500次以后比容量保持率高达70%。2)利用硬模板法构筑碳包覆极性金属氧化物二氧化锰中空纳米结构。通过熔融法将硫材料引入材料中空内腔,硫含量进一步提高至70wt.%。此结构中,壳层碳材料包覆物理限域固硫的同时增强材料导电性,极性二氧化锰化学键合固硫,二者协同降低活性物质硫的流失。获得的硫/碳-二氧化锰复合中空纳米结构正极材料在0.1 C电流密度条件下,首次放电比容量达到854.4 mAh g--,1 C的电流密度下循环寿命可达500次,500次循环以后放电比容量仍然能达360 mAh g-1。

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