載硫材料與隔膜的改性對(duì)鋰硫電池性能的提高.pdf

1、鋰硫電池具有很高的理論比容量1675mAh g-1和比能量2600Wh kg-1，且活性物質(zhì)單質(zhì)硫資源豐富、成本低、環(huán)境友好，具有極大的潛力成為下一代新能源儲(chǔ)能體系。但是，硫的導(dǎo)電性差，充放電過(guò)程中活性物質(zhì)利用率較低，導(dǎo)致鋰硫電池實(shí)際容量偏低;其次，充放電循環(huán)時(shí)，硫的脫/嵌鋰反應(yīng)導(dǎo)致的體積變化易破壞電極結(jié)構(gòu);此外，充放電過(guò)程的中間產(chǎn)物（聚硫化合物）在電解液中的溶解和遷移，導(dǎo)致“穿梭效應(yīng)”，降低了活性物質(zhì)利用率和電池充放電效率，嚴(yán)重影響了

2、電池的循環(huán)壽命。
　　針對(duì)鋰硫電池中存在的這些關(guān)鍵問(wèn)題，本文利用N元素對(duì)于聚硫的吸附作用原理，研究了氮化碳(g-C3N4)對(duì)抑制聚硫穿梭的作用。本文將g-C3N4與不同碳材料復(fù)合，利用其協(xié)同作用加強(qiáng)抑制聚硫穿梭，并研究了與g-C3N4混合的碳材料結(jié)構(gòu)類型以及它們的復(fù)合形式對(duì)電池性能的影響。首先利用導(dǎo)電炭黑SuperP的高導(dǎo)電性，混合SuperP和g-C3N4作為硫載體共同作用，提高電池循環(huán)效率。其次，將具有豐富孔結(jié)構(gòu)和高比表面積的

3、大孔碳(MPC)與g-C3N4混合，進(jìn)一步強(qiáng)化聚硫吸附。此外，本文進(jìn)一步利用MPC孔道中生成g-C3N4(g-C3N4@MPC)的設(shè)計(jì)，使g-C3N4和MPC之間產(chǎn)生協(xié)同作用，進(jìn)一步強(qiáng)化聚硫的吸附，改善鋰硫電池性能。通過(guò)條件優(yōu)化發(fā)現(xiàn)，MPC和三聚氰胺(g-C3N4前驅(qū)體)的最佳混合比例為1∶1，得到N含量為8.08wt.％的g-C3N4@MPC，所制備的鋰硫電池表現(xiàn)出最佳的循環(huán)性能和倍率放電性能。
　　研究發(fā)現(xiàn)，雖然摻雜N元素的多

4、孔碳材料對(duì)于聚硫有很好的吸附效果，但是目前其制備過(guò)程比較復(fù)雜，且制備成本高，不利于工業(yè)化生產(chǎn)。為此，本文研究開(kāi)發(fā)了富含大量纖維素和瓜氨酸的生物質(zhì)西瓜皮同時(shí)作為碳源和氮源，通過(guò)一步法高溫碳化得到含N的多孔碳材料(N-PCs)。同時(shí)研究了碳化溫度對(duì)所得碳材料的孔結(jié)構(gòu)以及所制備的鋰硫電池性能的影響，通過(guò)優(yōu)化發(fā)現(xiàn)900℃是最佳的碳化溫度。所得碳材料(WR900)含氮量達(dá)到2.20wt.％，具有高比表面積(1639.1m2g-1)，豐富的微孔結(jié)構(gòu)

5、以及良好的導(dǎo)電性。WR900所制備的硫電極在0.2C倍率下200次循環(huán)后電極的放電比容量仍能保持847mAhg-1，平均每次循環(huán)容量衰減僅為0.14％。在充放電倍率高達(dá)5C和10C的條件下，仍保持優(yōu)異的循環(huán)性能，其放電比容量分別高達(dá)640mAhg-1，496mAhg-1。
　　使用WR900作為硫載體明顯提升了電池性能，但電池中仍存在一定的穿梭效應(yīng)導(dǎo)致容量衰退。為此，本文進(jìn)一步研究和利用聚苯并咪唑(PBI)和聚氧化乙烯(PEO)共

6、混樹(shù)脂對(duì)傳統(tǒng)聚丙烯(PP)隔膜進(jìn)行改性，獲得改性隔膜(PBI-PEO@PP)，對(duì)從多孔碳中逃逸出的聚硫進(jìn)行限制。隔膜中具有較強(qiáng)電解液吸收能力的PEO改善了隔膜的鋰離子傳導(dǎo)作用;而PBI可建立聚硫離子的阻擋層，阻礙聚硫離子穿透隔膜，從而抑制穿梭效應(yīng)。當(dāng)隔膜中的PBI和PEO混合比例達(dá)到1∶1時(shí)，呈現(xiàn)最佳的協(xié)同作用。以載硫WR900為正極材料，使用PBI-PEO@PP隔膜的鋰硫電池表現(xiàn)出極其優(yōu)異的循環(huán)性能。在0.2C倍率下充放電時(shí)，首次放電