用于鋰硫電池的石墨烯材料.pdf

1、快的容量衰減速度、低的庫(kù)倫效率和低的硫負(fù)載量限制了鋰硫電池的實(shí)際商業(yè)化應(yīng)用。這些問(wèn)題主要源于單質(zhì)硫和其最終放電產(chǎn)物L(fēng)i2S的低導(dǎo)電性、放電過(guò)程中硫的體積膨脹及循環(huán)過(guò)程中中間產(chǎn)物多硫化鋰(Li2Sx，x=4，6，8)的不斷溶解和在正負(fù)極之間的穿梭。石墨烯是一種sp2-雜化的碳，具有高的導(dǎo)電性、好的柔韌性、強(qiáng)的機(jī)械性能和優(yōu)異的耐化學(xué)腐蝕性能。將石墨烯應(yīng)用于鋰硫電池的硫正極載體和隔膜修飾層，可以將石墨烯的特性引入至鋰硫電池，從而可以提高鋰硫電

2、池的電化學(xué)性能。然而，石墨烯的結(jié)構(gòu)特性與鋰硫電池電化學(xué)性能之間的關(guān)系還不清楚。同時(shí)，正極中硫的低負(fù)載量降低了鋰硫電池的單位面積比容量。另外，粉體石墨烯修飾隔膜增加了隔膜的厚度和質(zhì)量，不利于獲得具有高能量密度的鋰硫電池?；诖耍菊撐牡闹饕芯砍晒缦?
　　(1)理解碳材料的結(jié)構(gòu)因素對(duì)S/C復(fù)合材料電化學(xué)性能的影響對(duì)合理地設(shè)計(jì)S/C復(fù)合材料具有指導(dǎo)意義。基于石墨烯具有易于調(diào)控的孔結(jié)構(gòu)和易于被官能團(tuán)修飾的表面，合成了四種具有不同比表

3、面積(58-3010m2g-1)、孔徑(0.9-5.6nm)、孔體積（0.142.03cm3g-1）及C/O原子比(2.41-10.81)的石墨烯基碳材料，即還原態(tài)氧化石墨烯(RGO)、氨基酸修飾的還原態(tài)氧化石墨烯(RGO-CYS)、微波剝離的氧化石墨烯(MEGO)和活化的MEGO(a-MEGO)，并將這四種石墨烯基碳材料用于硫正極載體。通過(guò)比較S/RGO、S/RGO-CYS、S/MEGO和S/aMEGO的放電比容量、倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定

4、性，得出影響S/C復(fù)合材料電化學(xué)性能的關(guān)鍵因素。
　　(2)可溶性Li2S4轉(zhuǎn)變至固態(tài)Li2S這一慢的電化學(xué)過(guò)程加劇了多硫化鋰的“穿梭效應(yīng)”并限制了硫的負(fù)載量。基于單原子催化劑高的催化活性和最大限度的原子利用率，以氧化石墨烯為前驅(qū)體，NH3和CoCl2為摻雜劑，采用簡(jiǎn)單的熱還原方法將Co金屬以單原子的形式分散在N摻雜石墨烯，得到了Co-NG。Co-NG用于硫正極載體，可以均勻負(fù)載90wt.％的單質(zhì)硫。S/Co-NG在4C具有618

5、mAhg-1的可逆容量，在1C可以穩(wěn)定循環(huán)500圈并保持99.6％的充放電效率;當(dāng)單位面積的硫負(fù)載量為6.0mg cm-2時(shí)，S/Co-NG具有5.1mAh cm-2的單位面積比容量，循環(huán)100圈的容量衰減速度僅為每圈0.029％。對(duì)稱電池和原位XANES等測(cè)試結(jié)果表明Co-NG中的單原子Co-N催化活性位點(diǎn)可以同時(shí)催化Li2S在放電時(shí)的沉積和充電時(shí)的去鋰化過(guò)程，提高了多硫化鋰的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，從而抑制多硫化鋰在正負(fù)極間的穿梭。
　　

6、(3)構(gòu)筑隔膜修飾層的刮涂方法使用大量的粘結(jié)劑，降低了修飾層的導(dǎo)電性;同時(shí)粉末修飾層增加了隔膜的厚度和質(zhì)量，不利于獲得高能量密度的鋰硫電池。基于化學(xué)氣相沉積(CVD)石墨烯膜高的導(dǎo)電性和大的單原子層覆蓋度，以聚丙烯隔膜為基底，設(shè)計(jì)了一種原子層厚度的CVD-石墨烯修飾層。這種CVD-石墨烯修飾層可以減少溶解在電解液中的多硫化鋰在正負(fù)極之間的穿梭，提高活性物質(zhì)硫的利用率。最優(yōu)的CVD-石墨烯膜的原子層數(shù)為2層，其厚度(～0.6nm)和質(zhì)量(