鋰硫電池碳及金屬氧化物同軸復(fù)合材料的制備及性能研究.pdf

1、當(dāng)今世界，能源與環(huán)境問(wèn)題是人類(lèi)面臨的兩大主要挑戰(zhàn)，開(kāi)發(fā)出高性能、低污染、可再生的儲(chǔ)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(guān)注，同時(shí)硫單質(zhì)在自然界分布廣、價(jià)格低廉、易回收利用。但鋰硫電池卻存在以下問(wèn)題：硫及還原產(chǎn)物導(dǎo)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(yīng)”導(dǎo)致電池循環(huán)穩(wěn)定性差；充放電過(guò)程中產(chǎn)生體積膨脹，造成電極結(jié)

2、構(gòu)的破壞；鋰負(fù)極在反應(yīng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生鋰枝晶使電池存在安全隱患等。
　　本論文主要針對(duì)鋰硫電池正極存在的問(wèn)題，以改善電池性能為目的，設(shè)計(jì)制備出多孔碳材料、特殊碳結(jié)構(gòu)以及金屬氧化物和碳的同軸復(fù)合材料作為硫基載體，進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征并深入探究其電化學(xué)性能及反應(yīng)機(jī)理。主要研究?jī)?nèi)容包括：
　?。?）以生物質(zhì)為碳源進(jìn)行直接煅燒活化制備多孔碳材料，復(fù)合硫之后作為電池正極
　　采用玉米粉為碳源，先進(jìn)行無(wú)氧煅燒，接著利用KOH作為活化劑在不同的

3、溫度下進(jìn)行化學(xué)活化制備出多孔碳材料，復(fù)合硫作為電池正極。在該多孔碳/硫復(fù)合材料中，一方面利用碳材料的導(dǎo)電性提高正極的電導(dǎo)率，另一方面則利用碳材料的孔隙結(jié)構(gòu)負(fù)載硫單質(zhì)，以及孔結(jié)構(gòu)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(jié)果顯示，當(dāng)活化溫度為800℃時(shí)，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(guò)170圈后比容量為451mAh g-1，在0.5C下150圈后為388mAh g-1，經(jīng)過(guò)0

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

5、撐，同時(shí)提高正極的導(dǎo)電性；外部的“殼”為多孔碳層，提供負(fù)載硫的位點(diǎn)，減少多硫化物的溶解?；谶@種同軸結(jié)構(gòu)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(fù)合材料，復(fù)合硫之后作為電池正極
　　該結(jié)構(gòu)是以鈦酸四丁酯、異丙醇為原料，通過(guò)

6、水熱法在碳納米管表面原位合成二氧化鈦，再進(jìn)行無(wú)氧煅燒即得所需的復(fù)合結(jié)構(gòu)，將其命名為MWCNTs@TiO2。在該材料中，內(nèi)部的“軸”MWCNTs能夠提高整個(gè)電極的機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電性，外部的“殼”TiO2則通過(guò)與多硫化物之間的結(jié)合作用吸附中間產(chǎn)物，并提供了負(fù)載硫的位點(diǎn)。結(jié)果顯示，MWCNTs的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50％的復(fù)合材料展現(xiàn)出較好的電化學(xué)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