氮化鈦-硫復(fù)合材料的制備與電化學(xué)性能研究.pdf

1、鋰硫電池以硫為正極，金屬鋰為負(fù)極，具有理論能量密度高、成本低的明顯優(yōu)勢，因而成為當(dāng)前二次電池研究領(lǐng)域的一個熱點。鑒于硫的絕緣體特征不利于電荷傳輸，通常需要將硫與導(dǎo)電材料進(jìn)行復(fù)合構(gòu)筑正極。其中，最常見的是將硫與碳材料進(jìn)行復(fù)合，以碳材料為導(dǎo)電基體，將硫分散其中，以提高硫的利用率。另外，導(dǎo)電聚合物和金屬氧化物也可以用來構(gòu)筑硫的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，提高硫正極的電化學(xué)性能?；谶@一思路的復(fù)合正極材料的研究已經(jīng)取得了不錯的效果。然而，碳材料和導(dǎo)電聚合物雖然具

2、有良好的導(dǎo)電性，但其振實密度較低會導(dǎo)致硫正極在單位體積下能量密度偏低。而金屬氧化物多為半導(dǎo)體，在電極內(nèi)部電荷傳輸方面并非理想選擇。鑒于此，本文研究工作中，采用具有良好導(dǎo)電性，且具有較高密度的氮化鈦構(gòu)筑硫正極的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，以期制備振實密度高、硫負(fù)載量高、循環(huán)性能好的硫正極復(fù)合材料。
　　本文首先制備氮化鈦納米管－硫正極復(fù)合材料并研究其電化學(xué)性能。與碳納米管類似，氮化鈦的管狀形態(tài)易于形成有效的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。以水熱法制備的質(zhì)子鈦酸鹽納米管為前

3、驅(qū)體，通過氮化反應(yīng)制備氮化鈦納米管。將氮化鈦納米管與硫球磨，并進(jìn)行后續(xù)熱處理，制備不同硫含量的氮化鈦－硫復(fù)合材料。所制復(fù)合材料的硫含量分別為56.1、66、74及86wt.％。電化學(xué)測試表明，在前10周的容量衰減較為明顯，之后趨于緩慢。隨著硫含量的增加電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性提高，然而，含硫量為86wt.%的材料雖然具有含硫量高，但硫的利用率較低，導(dǎo)致容量和循環(huán)穩(wěn)定性較差。其中，硫含量為64wt.%的首周放電比容量為1025.6 mAh/g，在

4、0.1C倍率下進(jìn)行充放電循環(huán)50周后，放電比容量為612.8 mAh/g。其二，制備氮化鈦空心納米球－硫正極復(fù)合材料并研究其電化學(xué)性能。由于氮化鈦納米管團(tuán)聚現(xiàn)象較為明顯，使其與硫復(fù)合不夠均勻，因而導(dǎo)致硫的利用率偏低。為進(jìn)一步提高氮化鈦導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的有效性，采用分散均勻的氮化鈦空心納米球球構(gòu)筑導(dǎo)電基體。采用聚苯乙烯小球模板法制備均勻分散的二氧化鈦小球，經(jīng)過氮化反應(yīng)后制得氮化鈦空心納米球。通過熱處理方法制得不同硫含量的氮化鈦空心球-硫復(fù)合材料。

5、所制復(fù)合材料中氮化鈦空心球分散均勻，經(jīng)過熱處理與硫混合后，大部分空心球呈開口形態(tài)，有利于與硫的復(fù)合。所制復(fù)合材料的硫負(fù)載量分別為58、65、77及88wt.%。電化學(xué)測試表明，氮化鈦空心納米球－硫復(fù)合材料相比氮化鈦納米管-硫復(fù)合材料具有循環(huán)性良好、比容量高的優(yōu)點。其中，硫含量為65wt.%的復(fù)合材料首周放電比容量為884.2 mAh/g，在0.1C倍率下100周充放電循環(huán)后放電比容量為540.2mAh/g。這一結(jié)果可以歸因于氮化鈦較好的