新型鋰硫二次電池正極復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。利用碳材料導電性良好，比表面積大、化學性質(zhì)穩(wěn)定等特點，本文設計并合成的幾種新型碳硫復合材料，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）復合材料；并采用X

2、RD、Raman、SEM、TEM、EDS和TGA等手段對復合材料進行了系統(tǒng)的表征；探討了新型制備方法以及復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復合材料。熱還原法制備的S/GNS復合材料中單質(zhì)硫復合均勻且穩(wěn)定，被還原的石墨烯導電性良好，而且保持冷凍干燥法所形成的層次交錯的片層結構，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復合材料團聚嚴重。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性能進行測試，比較并分析了各種電化學性能的差異性。交流阻抗測試表明復合材料的電池內(nèi)阻遠遠小于單質(zhì)硫電池；循環(huán)伏安和充放電循環(huán)測試表明復合材料電化學反應的可逆性、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結構有效抑制了鋰多硫化物的溶解，降低了穿梭效應的發(fā)生；石墨烯大的比表面積，特殊的層狀結構，有效緩解了充放電過程的體積膨脹效應，增強了電極的穩(wěn)定性，并在一定程度上減弱

4、了放電終產(chǎn)物Li2S在正極上沉積和團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1598 mAh/g，硫的利用率高達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復合材料。實驗結果表明單質(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。復合后碳納米管可以形成均勻穩(wěn)定的三維導電網(wǎng)絡結構，碳納米管本身導電性良好，復合后表面被單質(zhì)硫包覆

5、，但由于預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復合材料的電化學性能進行研究，碳納米管良好的導電性使由復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；由于碳納米管的強大吸附作用及相對封閉的納米級反應器結構，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復合材料中硫的填充和包覆最均勻，所制備