氮摻雜石墨烯-硫復(fù)合正極材料的制備及其電化學(xué)性能研究.pdf

1、鋰硫電池理論比容量高（1675mAh·g-1），原料硫來源豐富、價格價廉且對環(huán)境友好，因此被認(rèn)為是一種前途無量的高性能可充電鋰電池。然而由于單質(zhì)硫和放電產(chǎn)物L(fēng)i2S的電子和離子絕緣性，使硫正極材料的活性物質(zhì)利用率低，倍率性能差。而且循環(huán)過程中的中間產(chǎn)物多硫化鋰的溶解可導(dǎo)致容量的快速衰減和嚴(yán)重的自放電。另外循環(huán)時硫體積的巨大變化易引起電極粉化。這些問題嚴(yán)重阻礙了鋰硫電池的實際應(yīng)用。因此為了針對上述問題，本文將氧化石墨烯(GO)、三維石墨烯

2、(3DG)和氮摻雜石墨烯(NG)引入到鋰硫電池正極材料中。
　　(1)通過帶負(fù)電的氧化石墨烯和帶有陽離子表面活性劑的硫顆粒之間的靜電自組裝，得到氧化石墨烯/硫復(fù)合材料(S@GO)。由于小尺寸(1-2μm)的球形硫顆粒被氧化石墨烯納米片良好地包覆住，S@GO-1復(fù)合材料在0.1C下表現(xiàn)出了較高的首次放電比容量（1061.6mAh·g-1），50次循環(huán)后有56.7％的容量保持率，展現(xiàn)了較好的循環(huán)穩(wěn)定性。此外，循環(huán)時有高達(dá)約98％的庫倫

3、效率。
　　(2)通過簡單的一步水熱法，得到三維石墨烯/硫復(fù)合材料(3DG-S)。此法同時完成氧化石墨烯的還原以及其與納米硫顆粒（約10-40 nm）的自組裝復(fù)合。納米硫顆粒有利于縮短鋰離子的擴(kuò)散距離。由還原氧化石墨烯組成的三維多孔導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有利于改善復(fù)合材料中的電荷和離子遷移速率。另外還原氧化石墨烯上殘留的含氧官能團(tuán)有良好的吸附硫與多硫化物的能力，能有效減少中間產(chǎn)物多硫化物在電解液中的溶解，提高循環(huán)穩(wěn)定性。因此，3DG-S復(fù)合

4、材料表現(xiàn)出了優(yōu)秀的電化學(xué)性能。3DG-S-1復(fù)合材料在0.5C下經(jīng)歷100次循環(huán)后，依然有高達(dá)583.1mAh·g-1的可逆比容量和高達(dá)72.3％的容量保持率。此外，3DG-S-1復(fù)合材料的庫倫效率高于98％，還有良好的倍率性能(1C時約680mAh·g-1，2C時約620mAh·g-1)。
　　(3)為了進(jìn)一步提升硫正極材料的電化學(xué)性能，制備了氮摻雜石墨烯/硫復(fù)合材料(NG-S)。以三種氮源通過簡單的一步水熱法得到NG。氮摻雜和

5、氧化石墨烯的還原同時完成。隨后，用化學(xué)沉積法或者加熱復(fù)合法使硫與NG復(fù)合，制備出幾種NG-S復(fù)合材料。其中NG-1W/S復(fù)合材料含硫量高達(dá)75.5wt％，0.7 C時經(jīng)過100次循環(huán)仍有723.9mAh·g-1的放電比容量，容量保持率高達(dá)87.4％，庫倫效率約為98％，循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)異，大倍率性能也很優(yōu)異（1C時約780mAh· g-1，3C時約610mAh·g-1）。優(yōu)秀的電化學(xué)性能歸功于氮摻雜石墨烯NG-1W與硫的良好復(fù)合、氮摻雜對石