鋰硫電池碳及金屬氧化物同軸復合材料的制備及性能研究.pdf

1、當今世界，能源與環(huán)境問題是人類面臨的兩大主要挑戰(zhàn)，開發(fā)出高性能、低污染、可再生的儲能器件顯得尤為重要。鋰硫電池因其高的理論比容量（1675mAh g-1）和能量密度（2600Wh kg-1）而受到廣泛關注，同時硫單質(zhì)在自然界分布廣、價格低廉、易回收利用。但鋰硫電池卻存在以下問題：硫及還原產(chǎn)物導電性差，影響活性物質(zhì)利用率；中間產(chǎn)物易溶解在電解液中，造成活性物質(zhì)損失并產(chǎn)生“穿梭效應”導致電池循環(huán)穩(wěn)定性差；充放電過程中產(chǎn)生體積膨脹，造成電極結

2、構的破壞；鋰負極在反應過程中會產(chǎn)生鋰枝晶使電池存在安全隱患等。
　　本論文主要針對鋰硫電池正極存在的問題，以改善電池性能為目的，設計制備出多孔碳材料、特殊碳結構以及金屬氧化物和碳的同軸復合材料作為硫基載體，進行結構表征并深入探究其電化學性能及反應機理。主要研究內(nèi)容包括：
　?。?）以生物質(zhì)為碳源進行直接煅燒活化制備多孔碳材料，復合硫之后作為電池正極
　　采用玉米粉為碳源，先進行無氧煅燒，接著利用KOH作為活化劑在不同的

3、溫度下進行化學活化制備出多孔碳材料，復合硫作為電池正極。在該多孔碳/硫復合材料中，一方面利用碳材料的導電性提高正極的電導率，另一方面則利用碳材料的孔隙結構負載硫單質(zhì)，以及孔結構的物理吸附作用吸附中間產(chǎn)物多硫化鋰，減少其在電解液中的溶解。結果顯示，當活化溫度為800℃時，多孔碳具有最高比表面積、總孔體積以及較好的循環(huán)性能，在0.1C倍率下循環(huán)，經(jīng)過170圈后比容量為451mAh g-1，在0.5C下150圈后為388mAh g-1，經(jīng)過0

4、.1C-2C的倍率循環(huán)后又回到0.1C，比容量達到608mAh g-1。
　　（2）采用水熱法制備出同軸結構的碳納米管@多孔碳復合材料，復合硫之后作為電池正極
　　該復合結構是以葡萄糖為碳源，以SDS為表面活性劑，通過在多壁碳納米管表面進行原位的水熱反應制備出多孔碳的前驅(qū)體包覆在碳納米管表面的結構，再進行無氧碳化即得所需的復合碳材料，將其命名為MWCNTs@MPC。在該復合結構中，內(nèi)部的“軸”為碳納米管，為電極提供穩(wěn)定結構支

5、撐，同時提高正極的導電性；外部的“殼”為多孔碳層，提供負載硫的位點，減少多硫化物的溶解。基于這種同軸結構能夠得到較好的倍率性能和循環(huán)壽命，在0.1C倍率下，循環(huán)200圈后比容量為505mAh g-1，而在0.5C和2C的倍率下循環(huán)100圈后，比容量分別為450mAh g-1和270mAh g-1。
　?。?）利用水熱法制備出碳納米管@二氧化鈦的同軸復合材料，復合硫之后作為電池正極
　　該結構是以鈦酸四丁酯、異丙醇為原料，通過

6、水熱法在碳納米管表面原位合成二氧化鈦，再進行無氧煅燒即得所需的復合結構，將其命名為MWCNTs@TiO2。在該材料中，內(nèi)部的“軸”MWCNTs能夠提高整個電極的機械強度和導電性，外部的“殼”TiO2則通過與多硫化物之間的結合作用吸附中間產(chǎn)物，并提供了負載硫的位點。結果顯示，MWCNTs的質(zhì)量分數(shù)為50％的復合材料展現(xiàn)出較好的電化學性能，在0.1C倍率下循環(huán)，50圈后比容量為679mAh g-1，在1C和2C的倍率下循環(huán)170圈后，比容量