鋰硫電池正極結構設計、材料制備及電化學性能研究.pdf

1、隨著社會和經濟的發展，能源已逐漸成為一個備受關注的社會問題。開發具有高能量密度的新能源對于推動未來社會的發展具有非常大的作用。鋰/硫(Li/S battery)電池，由于其高理論容量(1675 mAh/g)和能量密度(2600 Wh/kg)，被公認為的最有前途的能源存儲系統之一。此外，硫資源地殼含量較多，成本低和對環境友好。
　　盡管鋰硫電池有很多優點，但是至今為止鋰硫電池并沒有實現商業化，因為存在短的循環壽命、低效率和低活性物質

2、利用率等問題。這些問題主要由以下因素導致，首先，硫低電導率(5×10-30 cm-1在25℃)，這使得它幾乎絕緣。其次，硫溶于電解液并向負極方向遷移，即所謂的“穿梭效應”。最后，硫在充放電循環中，存在非常嚴重的體積變化。針對以上問題，我們從三個角度對鋰硫電池進行了改善，主要實驗包括以下方面:
　　1.從碳硫復合物的角度:我們合成了一種具有分級孔結構的類蓮藕狀碳纖維，并且制備了對應的碳硫復合材料。以海藻為原料的海藻酸纖維通常應用于紡

3、織和醫藥行業。通過高溫碳化和氫氧化鉀刻蝕后，得到了從幾個納米到幾百納米的分級孔碳纖維，這種多孔的碳纖維因其大的比表面積和孔體積，所以可以負載較多的硫并且容納硫的體積膨脹。此外，這種獨特結構的硫可以吸附多硫化物，從而緩解穿梭效應。此分級結構的介孔能夠為鋰離子的傳輸提供通道，微孔可以束縛于硫。通過實驗檢測，分級孔碳纖維/硫復合材料表現出良好的循環穩定性和優越的倍率性能。
　　2.從集流體的角度:以三聚氰胺泡沫為碳源，經過高溫熱解之后制

4、備了具有彈性形變的摻氮碳泡沫集流體。由于前驅體的元素組成，通過熱解時可以直接達到摻氮的目的，如此以來可以實現低成本，大規模的生產。這種三維碳集流體有如下優勢:(1)三維交聯的孔結構能夠儲存硫，限制多硫化物向負極方向遷移，可以兼顧插層的作用。(2)具有彈性形變的碳集流體可以容納硫在電化學反應中的體積膨脹。(3)具有優良的彈性形變和良好的電子導電性，所以這種摻氮的碳泡沫可以直接作為碳集流體使用。該三維碳集流體的制備，能夠在很大程度上解決廢棄

5、聚氨酯類泡沫的回收利用問題，并且有效推進鋰硫電池工業化生產的進步。
　　3.從極板制備的角度:以鹽酸多巴胺為包覆原料，利用多巴胺在特定條件下的自聚特性和良好的成膜性，對升華硫進行包覆，本章實驗的亮點在于對單質硫包覆的同時，可以一步完成極板的制備。多巴胺包覆層對于鋰硫電池的循環穩定性能夠起到積極的作用。首先，多巴胺包覆層對硫能夠起到物理包覆的作用，使中間產物聚硫離子不容易向負極方向遷移，從物理角度克服物質傳質過程，很大程度緩解穿梭效

6、應;其次，聚多巴胺存在很多氨基，而氨基作為一種強配體，能與聚硫離子形成鍵合作用，這種鍵合作用能從化學角度束縛聚硫離子的遷移，從化學角度對聚硫離子向正極方向“拉攏”。這種雙重的作用在簡便，低廉的前提下改善循環穩定性。在放電倍率為0.1 C下，經過多巴胺包覆過的鋰硫電池首次比容量為825 mAh/g，100次循環之后，可逆比容量仍然能夠保持706 mAh/g，單次循環容量保持率為98％。以上實驗，提供了一種操作簡便，成本低廉，對環境無任何污