石墨烯復(fù)合正極材料在鋰硫電池中的應(yīng)用.pdf

1、鋰硫電池是最有前途的下一代電化學(xué)儲(chǔ)能器件。硫的理論容量高達(dá)1675 mAh g?1，能量密度遠(yuǎn)超現(xiàn)有的鋰離子電池正極材料。但是鋰硫電池的循環(huán)性能差，電化學(xué)循環(huán)過(guò)程中的效率較低。本論文中，作者將石墨烯材料引入到鋰硫電池中，合成硫-石墨烯復(fù)合正極材料，希望通過(guò)石墨烯的特性來(lái)改善鋰硫電池多硫化物的穿梭現(xiàn)象，增加導(dǎo)電性，進(jìn)而提高鋰硫電池的電化學(xué)性能。本論文的工作主要可以分為下面三點(diǎn)：
　?。?）作者用三維結(jié)構(gòu)的多孔氮摻雜石墨烯作為基底材料

2、，通過(guò)溶液法合成了石墨烯和硫的復(fù)合材料（3D-NGS）。這種材料具有很高的硫含量，為87.6 wt.％，并且硫顆粒被石墨烯包裹的很好。電化學(xué)測(cè)試顯3D-NGS復(fù)合材料具有良好的循環(huán)和倍率性能：在600 mAg?1的電流密度下循環(huán)145次后，放電比容量可以維持在792 mAhg?1，平均每次循環(huán)的容量衰減率為0.05%；在1500 mAg?1的高電流密度下也表現(xiàn)出了很好的循環(huán)性能，循環(huán)200次后放電比容量保持在671 mAhg?1。作者認(rèn)

3、為3D-NGS具有比較好的電化學(xué)性能和石墨烯的結(jié)構(gòu)密不可分：第一，石墨烯在氮摻雜后有比較好的導(dǎo)電性，并且自組裝形成多孔的三維結(jié)構(gòu)，同時(shí)均勻的包覆硫顆粒，使得復(fù)合材料具有良好的電子和鋰離子傳輸能力；第二多孔的結(jié)構(gòu)可以緩解充放電過(guò)程中活性物質(zhì)的體積變化，保持電極片的穩(wěn)定性；第三，氮摻雜后硫和石墨烯的相互作用變強(qiáng)了，因此能夠更好地抑制多硫化物的遷移，從而提高復(fù)合材料的電化學(xué)性能。
　?。?）作者制備了一種具有大孔結(jié)構(gòu)的自支撐納米硫-石墨

4、烯紙復(fù)合材料。該復(fù)合材料可以直接用來(lái)作為鋰硫電池的電極片。硫-石墨烯是通過(guò)凍干和低溫?zé)崽幚淼姆椒ǖ玫降?。在?石墨烯材料中，硫全部鋪展在石墨烯的表面，混合均勻。柔性的硫-石墨烯在電化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程中不僅起到了導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的作用，其大孔結(jié)構(gòu)還可以緩解體積效應(yīng)。硫-石墨烯復(fù)合材料展現(xiàn)了優(yōu)異的倍率和循環(huán)性能：在300 mAg?1的電流密度下循環(huán)200次后放電比容量還保持在800 mAhg?1，平均每次循環(huán)容量衰減率為0.035%；在高電流密度150

5、0 mAg?1下循環(huán)也表現(xiàn)出了良好的電化學(xué)性能。其優(yōu)異的電化學(xué)性能可以歸功于硫-石墨烯具有穩(wěn)定的多孔結(jié)構(gòu)以及石墨烯與硫的強(qiáng)相互作用。
　　（3）作者研究了硫化鋰正極材料，硫化鋰是一種很有前景的鋰硫電池正極材料，其理論比容量為1166 mAh g-1，它可以和非鋰金屬負(fù)極相匹配，從而避免了金屬鋰負(fù)極的安全性問(wèn)題。研究表明，大顆粒硫化鋰的電化學(xué)性能很差，因此它的導(dǎo)電性很差并且存在多硫化物的穿梭問(wèn)題，另外，多硫化鋰在空氣中也不穩(wěn)定。為此

6、作者研究制備了一種柔性的不需要調(diào)漿電極材料，納米硫化鋰-還原性石墨烯片。其制備方法很簡(jiǎn)單，可通過(guò)自然滴制法得到。硫化鋰-還原性石墨烯片具有自支撐結(jié)構(gòu)，不需要粘合劑和金屬基底，可以直接作為電極片使用，顯著的降低了電極片的質(zhì)量。這種硫化鋰-還原性石墨烯片復(fù)合材料展現(xiàn)出很好的循環(huán)和倍率性能，在7C的倍率下還能保持597 mAh g-1的放電比容量。它優(yōu)異的電化學(xué)性能主要源于硫化鋰-還原性石墨烯片具有不錯(cuò)的電導(dǎo)率，柔性電極的優(yōu)點(diǎn)以及對(duì)電解液的吸