硫-石墨烯復(fù)合正極材料的制備及性能研究.pdf

1、鋰二次電池是具有極大潛力和應(yīng)用前景的次世代便攜儲能器件，而以硫作為正極儲能材料的鋰硫電池體系是近年來發(fā)展最為迅速，表現(xiàn)最為優(yōu)秀的體系之一。本文分別分析探索了一種硫-石墨烯復(fù)合正極材料和一種潛力巨大的全固態(tài)鋰硫電池，分析了其性能影響因素。
　　本實(shí)驗(yàn)利用兩種不同形態(tài)的石墨烯材料與單質(zhì)硫進(jìn)行復(fù)合，制備了一系列表現(xiàn)優(yōu)良的硫碳復(fù)合材料。通過大量的實(shí)驗(yàn)證明：這種材料在保證了較高硫負(fù)載量的同時，表現(xiàn)出了優(yōu)良的電化學(xué)性能，同時也較為有效的克服了

2、鋰硫電池正極材料存在的：導(dǎo)電性差、循環(huán)性能差等缺點(diǎn)，并在一定程度上抑制了穿梭效應(yīng)帶來的負(fù)面影響，同時也進(jìn)一步改善了石墨烯材料存在的負(fù)載量和利用率較低的缺陷。
　　利用熱剝離石墨烯這種超薄的二維材料作為基底負(fù)載了單質(zhì)硫，在硫單質(zhì)表面形成了一層保護(hù)層，這種保護(hù)層既能極大的提高其導(dǎo)電性能又能夠有效的防止循環(huán)過程中活性材料的流失。進(jìn)一步在這種片層材料的外層包覆了還原氧化石墨烯（一種具有優(yōu)良導(dǎo)電性能和物理性質(zhì)的薄膜材料），實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方

3、法能夠明顯提高單質(zhì)硫的利用率，前50個循環(huán)的電化學(xué)性能全面優(yōu)于未包覆材料。本文中還同時研究了含硫量、包覆量、不同粘結(jié)劑，不同熱剝離石墨烯基底的制備條件等變量對電化學(xué)性能影響。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在不計(jì)其他變量影響的前提下，存在一個最佳的包覆量，以及最佳的含硫量（60％-70％）和最佳的正極片厚度（10-15μm）使電化學(xué)性能達(dá)到最佳，而過多的含硫量會造成介孔的堵塞和片層結(jié)構(gòu)的損傷。氧化石墨在1050℃下的剝離程度和孔徑均優(yōu)于100

4、0℃和950℃下剝離的樣品，而在氣氛保護(hù)下進(jìn)行分段式預(yù)熱剝離得到的石墨烯的剝離程度和孔徑優(yōu)于在馬弗爐無氣氛保護(hù)下一次剝離得到的石墨烯。
　　由于電解質(zhì)的選擇對于鋰硫電池性能的影響較大，以此正極硫碳復(fù)合材料為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了一種全新的全固態(tài)鋰硫電池作為探索和對比。由固態(tài)電解質(zhì)和電極之間的多點(diǎn)接觸問題導(dǎo)致的高接觸電阻一直是困擾全固態(tài)鋰硫電池發(fā)展的因素之一，本體系采用了實(shí)驗(yàn)室制備的LATP陶瓷固態(tài)電解質(zhì)和CPE半固態(tài)電解質(zhì)，以CPE半固態(tài)電解

5、質(zhì)作為緩沖區(qū)，以緩沖層的形式置于電極和電解質(zhì)之間，提高接觸面的電導(dǎo)率，并減少LATP材料和負(fù)極Li片接觸時造成電解質(zhì)損失。以球磨BP2000與硫制得的復(fù)合材料為對照組，對比多種正極以及有無緩沖層對固態(tài)電池性能的影響。
　　試驗(yàn)結(jié)果表明：在全固態(tài)電池體系中石墨烯-硫復(fù)合材料首次放電比容量不如對照組材料，但其循環(huán)穩(wěn)定性的表現(xiàn)卻優(yōu)于對照組，表現(xiàn)出石墨烯-硫復(fù)合材料較好的循環(huán)穩(wěn)定性。而沒有使用緩沖層的電池的性能表現(xiàn)和使用了緩沖層的電池差距