鋰硫電池正極生物碳-硫復(fù)合材料的制備及性能研究.pdf

1、單質(zhì)硫具有資源豐富、無(wú)毒、價(jià)廉等優(yōu)勢(shì)，能提供高達(dá)1675 mAh/g的理論容量，以硫和金屬鋰構(gòu)建的鋰硫電池體系能量密度高達(dá)2600 Wh/kg。但由于硫及其放電產(chǎn)物導(dǎo)電性差，中間產(chǎn)物多硫化鋰的溶解及體積膨脹等問(wèn)題，導(dǎo)致電極的活性材料利用率低和循環(huán)性差，限制了其應(yīng)用。通過(guò)碳材料的引入可以獲得導(dǎo)電復(fù)合材料，抑制多硫化物的穿梭，從而實(shí)現(xiàn)硫正極材料的高效利用;從生物質(zhì)衍生而來(lái)的生物碳更具有簡(jiǎn)單易得、價(jià)格低廉、便于規(guī)模化、環(huán)保、資源可再生等優(yōu)點(diǎn)，

2、因此本文為以生物碳材料為主線，以制備電化學(xué)性能優(yōu)良的鋰硫電池硫碳復(fù)合正極材料為主旨，開(kāi)展了以下研究:
　　1.分別以稻殼、芒草、杉木、柚子皮和木屑五種生物質(zhì)為原料，利用高溫煅燒和混酸除雜處理得到生物碳材料，并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)和形貌的表征。將所得生物碳用熱復(fù)合的方式進(jìn)行載硫，合成硫含量為50％左右的生物碳/硫復(fù)合材料。電性能測(cè)試結(jié)果表明在硫含量和電流密度相同的情況下，稻殼生物碳/硫復(fù)合材料(DC/S)具有較高的比容量和較好的循環(huán)穩(wěn)定性，

3、這主要得益于其較高的比表面積。因此選擇稻殼生物碳為主要研究對(duì)象，分別對(duì)其進(jìn)行了模板化和基團(tuán)修飾處理，以期提高其電性能。
　　2.以二氧化硅為模板，對(duì)稻殼生物碳進(jìn)行改性，制備了多孔稻殼生物碳材料（HPDC）。SEM和TEM表明HPDC上存在大量的微孔結(jié)構(gòu)，分布均勻，大小均一，直徑約為5 nm，孔與孔間間隔非常薄的碳壁。通過(guò)熱復(fù)合方法制備了一系列不同硫含量的HPDC/S復(fù)合材料，并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)和電性能表征。結(jié)果表明，載硫量為60％時(shí)，

4、硫在碳基體上呈無(wú)定形態(tài)分布，且復(fù)合材料的電性能最佳，在0.2 C電流密度下首周放電容量高達(dá)1534.1 mAh/g，循環(huán)100周后仍能保持738.7 mAh/g的高容量。這主要?dú)w功于HPDC基體，其碳骨架充當(dāng)電子傳輸通道提高導(dǎo)電性;其多微孔結(jié)構(gòu)一方面為硫提供儲(chǔ)存空間，另一方面為鋰離子傳輸提供路徑，同時(shí)還能抑制多硫化鋰的溶解，緩解充放電過(guò)程中的體積效應(yīng)，從而提高電性能。
　　3.將稻殼生物碳在高溫下進(jìn)行氫氧化鈉水熱處理，制備羥基化稻

5、殼生物碳材料(DC-OH)。紅外光譜和XPS測(cè)試表明DC-OH上存在羥基等官能團(tuán)。用化學(xué)沉積的方法進(jìn)行硫的負(fù)載，合成DC-OH/S復(fù)合材料，熱重測(cè)試表明材料的載硫量高達(dá)90.16％。DC-OH/S復(fù)合正極在0.2 C電流密度下首周放電容量為1388.1mAh/g，經(jīng)過(guò)100周循環(huán)后還有683.5 mAh/g的放電容量;在1C下也表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，循環(huán)100周后還有625.1 mAh/g的放電容量，過(guò)充現(xiàn)象幾乎消失，庫(kù)倫效率也一直保