鋰硫電池正極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料制備及電化學(xué)性能研究.pdf

1、隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源已逐漸成為一個(gè)備受關(guān)注的社會(huì)問題。開發(fā)具有高能量密度的新能源對(duì)于推動(dòng)未來社會(huì)的發(fā)展具有非常大的作用。鋰/硫(Li/S battery)電池，由于其高理論容量(1675 mAh/g)和能量密度(2600 Wh/kg)，被公認(rèn)為的最有前途的能源存儲(chǔ)系統(tǒng)之一。此外，硫資源地殼含量較多，成本低和對(duì)環(huán)境友好。
　　盡管鋰硫電池有很多優(yōu)點(diǎn)，但是至今為止鋰硫電池并沒有實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，因?yàn)榇嬖诙痰难h(huán)壽命、低效率和低活性物質(zhì)

2、利用率等問題。這些問題主要由以下因素導(dǎo)致，首先，硫低電導(dǎo)率(5×10-30 cm-1在25℃)，這使得它幾乎絕緣。其次，硫溶于電解液并向負(fù)極方向遷移，即所謂的“穿梭效應(yīng)”。最后，硫在充放電循環(huán)中，存在非常嚴(yán)重的體積變化。針對(duì)以上問題，我們從三個(gè)角度對(duì)鋰硫電池進(jìn)行了改善，主要實(shí)驗(yàn)包括以下方面:
　　1.從碳硫復(fù)合物的角度:我們合成了一種具有分級(jí)孔結(jié)構(gòu)的類蓮藕狀碳纖維，并且制備了對(duì)應(yīng)的碳硫復(fù)合材料。以海藻為原料的海藻酸纖維通常應(yīng)用于紡

3、織和醫(yī)藥行業(yè)。通過高溫碳化和氫氧化鉀刻蝕后，得到了從幾個(gè)納米到幾百納米的分級(jí)孔碳纖維，這種多孔的碳纖維因其大的比表面積和孔體積，所以可以負(fù)載較多的硫并且容納硫的體積膨脹。此外，這種獨(dú)特結(jié)構(gòu)的硫可以吸附多硫化物，從而緩解穿梭效應(yīng)。此分級(jí)結(jié)構(gòu)的介孔能夠?yàn)殇囯x子的傳輸提供通道，微孔可以束縛于硫。通過實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，分級(jí)孔碳纖維/硫復(fù)合材料表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性和優(yōu)越的倍率性能。
　　2.從集流體的角度:以三聚氰胺泡沫為碳源，經(jīng)過高溫?zé)峤庵笾?/p>

4、備了具有彈性形變的摻氮碳泡沫集流體。由于前驅(qū)體的元素組成，通過熱解時(shí)可以直接達(dá)到摻氮的目的，如此以來可以實(shí)現(xiàn)低成本，大規(guī)模的生產(chǎn)。這種三維碳集流體有如下優(yōu)勢(shì):(1)三維交聯(lián)的孔結(jié)構(gòu)能夠儲(chǔ)存硫，限制多硫化物向負(fù)極方向遷移，可以兼顧插層的作用。(2)具有彈性形變的碳集流體可以容納硫在電化學(xué)反應(yīng)中的體積膨脹。(3)具有優(yōu)良的彈性形變和良好的電子導(dǎo)電性，所以這種摻氮的碳泡沫可以直接作為碳集流體使用。該三維碳集流體的制備，能夠在很大程度上解決廢棄

5、聚氨酯類泡沫的回收利用問題，并且有效推進(jìn)鋰硫電池工業(yè)化生產(chǎn)的進(jìn)步。
　　3.從極板制備的角度:以鹽酸多巴胺為包覆原料，利用多巴胺在特定條件下的自聚特性和良好的成膜性，對(duì)升華硫進(jìn)行包覆，本章實(shí)驗(yàn)的亮點(diǎn)在于對(duì)單質(zhì)硫包覆的同時(shí)，可以一步完成極板的制備。多巴胺包覆層對(duì)于鋰硫電池的循環(huán)穩(wěn)定性能夠起到積極的作用。首先，多巴胺包覆層對(duì)硫能夠起到物理包覆的作用，使中間產(chǎn)物聚硫離子不容易向負(fù)極方向遷移，從物理角度克服物質(zhì)傳質(zhì)過程，很大程度緩解穿梭效

6、應(yīng);其次，聚多巴胺存在很多氨基，而氨基作為一種強(qiáng)配體，能與聚硫離子形成鍵合作用，這種鍵合作用能從化學(xué)角度束縛聚硫離子的遷移，從化學(xué)角度對(duì)聚硫離子向正極方向“拉攏”。這種雙重的作用在簡(jiǎn)便，低廉的前提下改善循環(huán)穩(wěn)定性。在放電倍率為0.1 C下，經(jīng)過多巴胺包覆過的鋰硫電池首次比容量為825 mAh/g，100次循環(huán)之后，可逆比容量仍然能夠保持706 mAh/g，單次循環(huán)容量保持率為98％。以上實(shí)驗(yàn)，提供了一種操作簡(jiǎn)便，成本低廉，對(duì)環(huán)境無任何污