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碳—硫/聚苯胺正极材料制备及其电化学性能研究

【摘要】:锂硫电池具有能量密度高,环境友好等特点,而且有望取代目前已经广泛应用的锂离子电池,因而引起了研究者的密切关注。但是锂硫电池存在单质硫及其放电产物Li2S电导率很低、活性物质的利用率不足以及库伦效率低等缺点,因而本文通过锂硫电池硫基正极材料的改性来提高正极材料的电化学性能,进而为锂硫电池的实际应用提供理论参考。具体内容如下:采用了高能球磨法制备了乙炔黑-硫和碳纳米纤维-硫正极材料,探讨了球磨转速、载硫量对正极材料结构和电化学性能的影响。结果显示,比表面积和导电性共同影响着正极材料的电化学性能。当转速为600 rpm时正极材料的循环性能最好,在硫含量为50 wt%,电流密度为0.5 C时,200次充放电后乙炔黑-硫正极材料的放电比容量为611.4 m Ah·g-1,碳纤维-硫正极材料的放电比容量为691.1 m Ah·g-1;大的比表面积能够保证电极材料与电解液之间的充分接触;随着球磨转速的提高,能够增强单质硫与碳材料的复合,从而提高正极材料的导电性和单质硫的活性。采用酸化的方法对乙炔黑-硫和碳纤维-硫正极材料进行了酸化改性。分析了酸化改性对硫基正极材料结构和电化学性能的影响。结果显示,当硫含量为50 wt%,电流密度为0.5 C时,200次充放电后,乙炔黑-硫正极材料的放电比容量为631.5 m Ah·g-1,提高了20.1 m Ah·g-1。碳纤维-硫正极材料的放电比容量为708.6 m Ah·g-1,提高了17.5 m Ah·g-1。通过酸化的作用能够在碳材料表面引入羟基、羧基等含氧基团,增大碳材料的比表面积,有利于限制中间产物聚硫离子的溶迁扩散,从而提高硫基正极材料的循环稳定性。为了进一步提升硫基正极材料的电化学性能,采用原位氧化的方法在酸化碳黑-硫和酸化碳纤维-硫的表面包覆了一层导电聚苯胺,分析了聚苯胺包覆改性对硫基正极材料结构和电化学性能的影响。结果显示,当硫含量为50 wt%,电流密度为0.5 C时,200次充放电后,乙炔黑-硫/聚苯胺正极材料的可逆放电比容量为651.8 m Ah·g-1;碳纤维-硫/聚苯胺正极材料的可逆放电比容量达到了716.1 m Ah·g-1。聚苯胺改性能够提高碳-硫正极的结构稳定性,缓解了中间产物聚硫离子的溶解扩散,从而改善了硫基正极材料的循环性能。

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