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硫/多孔碳复合正极材料的制备及电化学性能研究

【摘要】:锂硫电池具有高能量密度、低成本、环境友好等诸多优点,被认为是最具潜力的下一代二次电池体系。但是目前锂硫电池仍面临着许多问题,如硫的绝缘性、多硫离子产生的穿梭效应和硫在充放电过程中较大的体积变化。为了克服这些问题,本论文采用不同结构的碳材料与硫复合,制备了多种硫/碳复合正极。通过对正极的结构设计、材料改性及工艺优化,得到了电化学性能优异的硫/碳复合正极,为锂硫电池的应用研究提供了重要的参考。具体的研究内容如下:(1)首先,将科琴黑(KB)、超导炭黑(BP)和碳纳米管(CNT)三种不同孔结构和比表面积的商业化碳材料作为硫的载体,对比发现高比表面积大孔容的材料更有利于硫在其中的分散,提高硫的利用率;而多微孔的结构更有利于吸附多硫离子,提高硫正极的循环稳定性。其次,引入三维多孔结构的碳纸作为集流体,与传统的铝箔集流体相比,不仅提高了活性物质的负载(3 mg cm-2),还可以吸附含有多硫离子的电解液,作为二次固硫载体。最后,不同电解液添加量对硫/碳正极电化学性能也有明显的影响,过多的电解液将会溶解较多的活性物,增大穿梭效应,从而降低正极的容量及库伦效率;而过少的电解液将会使得正极材料浸润不充分,从而降低硫的利用率。因此,在硫含量为60 wt%,电解液添加量为30 ul/mg(基于硫)时,在0.2 C的电流密度下,S/BP碳纸正极表现出最佳的电化学性能,其首次放电比容量为1136.0 mAhg-1,100圈循环后比容量为775.3 mAhg-1。为了进一步提高S/BP正极的电化学性能,采用简单的浸渍搅拌方法,在S/BP表面包覆了一层导电聚合物PEDOT-PSS,提高了材料的导电性,同时还起到了物理屏障的作用,抑制了多硫离子的迁移,从而提高了正极活性物质的利用率及循环稳定性。当硫含量为56 wt%时,在0.2 C的电流密度下,PEDOT@S/BP正极首次放电比容量为1218.5 mAhg-1,100圈后,放电比容量仍有为861.6 mAhg-1,以第二圈放电容量计算,容量保持率为82.7%,每圈容量损失为0.173%。(2)采用水热的方法制备了大比表面积、窄孔径分布的单分散的微孔碳球(A-MRF)。硫在A-MRF中以短链状的S2-4形式存在,在放电过程中,S2-4直接转变为Li2S2或Li2S,避免了可溶的长链多硫离子的生成,从而提高了S/A-MRF正极的循环性能稳定性。当硫含量为51 wt%时,S/A-MRF正极在0.2 C的电流密度下,首次放电比容量847.1 mAhg-1,100圈循环后,放电比容量为734.3 mAhg1,容量保持率为86.7%,每圈容量损失仅为0.133%。(3)采用静电纺丝的方法,制备了高比表面积的分级微介孔碳纤维(HPCF)。硫在HPCF中以环状的S8分子和链状的S2-4分子的形式共同存在,在放电过程中产生了三个平台,分别对应着S8和S2-4的还原过程。由于HPCF可以形成蓬松的三维网络结构,S/HPCF正极不仅提高了导电性,而且起到了缓解硫在充放电过程中体积变化的影响;同时分级微介孔的结构还可以保证锂离子在其内部的快速迁移及有效地抑制多硫离子在电解液中的扩散。当硫含量为66 wt%时,在电流密度为0.5 C下,S/HPCF表现出了优异的电化学性能,其首次放电比容量为1070.6 mAhg1,100圈循环后,仍然保持有946.2 mA h g-1的可逆比容量,容量保持率为88.4%,每圈容量损失仅为0.116%。(4)采用三聚氰胺甲醛树脂作为碳源,制备了富氮多孔碳材料(NPC)NPC的氮含量达到了23.87 wt%,其中85%的氮以吡咯氮和吡啶氮的形式存在,这类氮元素可以通过化学吸附作用有效地抑制多硫离子的迁移。因此,S/NPC正极表现出了较长的循环寿命。当硫含量为70 wt%时,在0.2 C的电流密度下,S/NPC正极400圈循环后,放电比容量仍有610.3 mAh g-1。为了增加NPC的导电性,提高硫的利用,通过静电作用在NPC表面包覆了一层还原氧化石墨烯(RGO),制得了三维网络结构的RGO@NPC正极材料。RGO的包覆不仅提高了NPC的导电性,同时还抑制多硫离子的迁移和缓解硫的体积膨胀影响,从而提高了活性物质的利用率和改善了正极的倍率性能和循环性能。当硫含量为70wt%时,在0.5 C的电流密度下, S/RGO@NPC正极首次放电比容量880.8 mAhg-1,400圈循环后,S/RGO@NPC正极的放电比容量仍有600.1 mAhg-1,容量保持率为68.1%,每圈容量损失仅为0.0874%,每圈的库伦效率均在90%以上。

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