鋰硫電池正極改性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及電化學(xué)性能研究.pdf

1、鋰硫電池是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ母吣芰棵芏榷武囯姵兀湔龢O材料單質(zhì)硫具有比容量大、成本低廉、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。然而，硫正極也存在諸多缺點(diǎn):
　　(1)硫及還原產(chǎn)物常溫下具有電子絕緣性;
　　(2)硫電極在充放電過程中會形成易溶于電解液的多硫化物并產(chǎn)生穿梭效應(yīng);
　　(3)硫電極在充放電循環(huán)中存在較大的體積效應(yīng)。
　　這些因素造成鋰硫電池活性物質(zhì)利用率低、循環(huán)性能差、倍率性能不理想，阻礙了鋰硫電池的實(shí)用化。
　　

2、圍繞解決硫電極存在的關(guān)鍵問題，本論文從設(shè)計(jì)、構(gòu)筑硫基復(fù)合材料和電極結(jié)構(gòu)出發(fā)，開展了多方面對硫正極的改性研究工作。本文系統(tǒng)研究了不同碳材料對于碳硫復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和性能的影響;采用噴霧熱分解法制備了鋰硫電池新型碳硫復(fù)合正極材料;研究了多功能碳紙用于硫正極集流體的電化學(xué)性能;采用磁控濺射和電化學(xué)沉積導(dǎo)電膜的方法對硫正極進(jìn)行了極片修飾;設(shè)計(jì)并制備了新型鋰硫電池正極結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電隔層，研究了其獨(dú)特的電化學(xué)性能及作用機(jī)理。具體研究結(jié)果如下:
　　采

3、用液相原位沉積的方法制備了碳納米管/硫(CNT/S)、碳纖維/硫(CNF/S)、活性碳/硫(AC/S)和導(dǎo)電炭黑/硫(SP/S)復(fù)合材料，對四種材料的測試結(jié)果比較表明:碳材料的結(jié)構(gòu)和形貌是影響復(fù)合效果的關(guān)鍵因素;多孔碳材料較無孔或少孔碳材料更能改善硫正極的循環(huán)穩(wěn)定性和提高活性物質(zhì)利用率;CNT/S和AC/S復(fù)合材料表現(xiàn)出較好的電化學(xué)性能，CNT能提高復(fù)合材料導(dǎo)電性，但復(fù)合均勻度欠佳，實(shí)際入孔的有效載硫量有限;AC能有效吸附活性物質(zhì)硫，但

4、導(dǎo)電性欠佳。
　　采用噴霧熱分解法，以SiO2為模板制備了比表面積達(dá)1133 m2 g-1總孔容為2.75 cm3 g-1的介孔碳球(SPC)，并以此作為負(fù)載硫的導(dǎo)電基體，制備了介孔碳球/硫復(fù)合材料(SPC/S)。電化學(xué)研究表明，碳球的三維結(jié)構(gòu)可以有效增強(qiáng)復(fù)合材料的循環(huán)穩(wěn)定性，0.2 C倍率下循環(huán)50次的容量為637 mAh g-1，循環(huán)容量保持率為62.9％。此外，碳球內(nèi)部的介孔有利于硫的納米化，能起到限域捕捉活性物質(zhì)和縮短離子

5、擴(kuò)散路徑的作用，有利于提高材料的倍率性能，1C倍率下仍有470mAh g-1的容量。
　　在硫正極制備工藝方面，引入商業(yè)碳紙用作正極集流體。電化學(xué)研究表明，碳紙作集流體能顯著改善硫正極的循環(huán)穩(wěn)定性，0.2 C倍率下循環(huán)100次容量仍有786 mAh g-1，循環(huán)容量保持率為89.6％。在正極構(gòu)造中，碳紙既能作為集流體，又能作為負(fù)載活性物質(zhì)硫的基體，限域和捕捉溶解的多硫化物，具備多重功能。這種顯著的改善歸因于碳紙具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和多

6、孔網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)。
　　在正極修飾方面，采用磁控濺射噴涂導(dǎo)電碳膜修飾SPC/S復(fù)合正極，0.5 C倍率下，鍍碳SPC/S復(fù)合正極首次放電容量為956 mAh g-1，50次循環(huán)后容量保持在642 mAh g-1，容量保持率提高到67.2％;采用電化學(xué)沉積聚苯胺(PANI)導(dǎo)電膜修飾純S正極，0.2 C倍率下，PANI涂層S正極首次放電容量為1094 mAh g-1，100次循環(huán)后容量保持在725 mAh g-1，容量保持率提高到66

7、.3％。研究表明，磁控濺射鍍碳能有效增強(qiáng)電極導(dǎo)電性，減少碳硫復(fù)合材料中活性物質(zhì)的不可逆損失;電化學(xué)沉積PANI能形成導(dǎo)電納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有效束縛活性物質(zhì)硫，減小多硫化物的溶解和擴(kuò)散。
　　在正極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，設(shè)計(jì)并制備了兩種在正極和隔膜之間含隔層的鋰硫電池:采用簡單的濾紙?zhí)蓟に嚝@得了性能優(yōu)良的導(dǎo)電碳紙;采用簡單的商業(yè)鎳網(wǎng)壓制工藝獲得了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的導(dǎo)電鎳網(wǎng)，分別引入到傳統(tǒng)鋰硫電池中作為隔層使用，其電化學(xué)性能獲得了顯著改善。0.2C倍率