新型鋰硫二次電池正極復(fù)合材料的制備和性能研究.pdf

1、鋰硫二次電池由于具有較高的理論能量密度、原料廉價和環(huán)境友好等優(yōu)點，被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ男滦透呷萘績δ茈姵伢w系之一。但是由于單質(zhì)硫和放電終產(chǎn)物的電絕緣性，以及中間產(chǎn)物的易溶性，導(dǎo)致鋰硫電池存在活性物質(zhì)利用率低及循環(huán)穩(wěn)定性較差等問題。利用碳材料導(dǎo)電性良好，比表面積大、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點，本文設(shè)計并合成的幾種新型碳硫復(fù)合材料，包括多壁碳納米管-硫（MWNTs-S）、硫-石墨烯（S/GNS）和硫/還原氧化石墨烯（S/rGO）復(fù)合材料；并采用X

2、RD、Raman、SEM、TEM、EDS和TGA等手段對復(fù)合材料進(jìn)行了系統(tǒng)的表征；探討了新型制備方法以及復(fù)合材料作為鋰硫電池正極材料的可行性。
　　通過水熱法和熱還原法分別制備了S/rGO和S/GNS復(fù)合材料。熱還原法制備的S/GNS復(fù)合材料中單質(zhì)硫復(fù)合均勻且穩(wěn)定，被還原的石墨烯導(dǎo)電性良好，而且保持冷凍干燥法所形成的層次交錯的片層結(jié)構(gòu)，有利于電解液的深層潤濕以及提高單質(zhì)硫的利用率；而水熱法制備的S/rGO復(fù)合材料團(tuán)聚嚴(yán)重。對單質(zhì)硫

3、和S/GNS作為正極活性物質(zhì)制備的鋰硫電池的電化學(xué)性能進(jìn)行測試，比較并分析了各種電化學(xué)性能的差異性。交流阻抗測試表明復(fù)合材料的電池內(nèi)阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單質(zhì)硫電池；循環(huán)伏安和充放電循環(huán)測試表明復(fù)合材料電化學(xué)反應(yīng)的可逆性、單質(zhì)硫的利用率和電池的循環(huán)穩(wěn)定性均有了很大改善。石墨烯的表面官能團(tuán)結(jié)構(gòu)有效抑制了鋰多硫化物的溶解，降低了穿梭效應(yīng)的發(fā)生；石墨烯大的比表面積，特殊的層狀結(jié)構(gòu)，有效緩解了充放電過程的體積膨脹效應(yīng)，增強(qiáng)了電極的穩(wěn)定性，并在一定程度上減弱

4、了放電終產(chǎn)物L(fēng)i2S在正極上沉積和團(tuán)聚所帶來的不利影響。在0.1 C充放電時，S/GNS的首次放電容量高達(dá)1598 mAh/g，硫的利用率高達(dá)95.6％，80次循環(huán)后放電容量仍有670 mAh/g。
　　通過真空浸漬法制備了一系列MWNTs-S復(fù)合材料。實驗結(jié)果表明單質(zhì)硫均勻包覆在碳納米管外表面，并且可以很好的填充到多壁碳納米管內(nèi)徑中。復(fù)合后碳納米管可以形成均勻穩(wěn)定的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，碳納米管本身導(dǎo)電性良好，復(fù)合后表面被單質(zhì)硫包覆

5、，但由于預(yù)處理在表面生成了微孔和缺陷而有利于電解質(zhì)離子的傳輸。而且常溫真空浸漬法可以有效控制復(fù)合材料中硫的含量，可以獲得相對最優(yōu)化的材料。通過對各種不同含硫量MWNTs-S復(fù)合材料的電化學(xué)性能進(jìn)行研究，碳納米管良好的導(dǎo)電性使由復(fù)合材料制備的鋰硫電池的放電容量和單質(zhì)硫的利用率有所提高；由于碳納米管的強(qiáng)大吸附作用及相對封閉的納米級反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，改善了鋰硫電池的循環(huán)穩(wěn)定性。其中含硫量為70%的MW-S-70復(fù)合材料中硫的填充和包覆最均勻，所制備