探究鋰硫電池中多硫化物的關鍵作用.pdf

1、21世紀人類邁入偉大的移動互聯(lián)網(wǎng)時代，移動IT設備（手機、電腦、數(shù)碼相機、可穿戴設備等）對于能源的消耗在不斷增加;新能源汽車的全球范圍推廣;大規(guī)模儲能應用等對高能量密度型的電池系統(tǒng)有著迫切需求。鋰硫電池因具有超高的理論能量密度(2600 Wh kg-1)被認為非常有希望領軍下一代新型儲能電池，有望在解決能源短缺的問題上發(fā)揮重要作用。鋰硫電池是以單質(zhì)硫作為正極，負極采用金屬鋰，電解液為醚類電解液的電池體系，該電池體系自上世紀70年代被提出

2、以來，吸引了較高的研究熱度。目前大部分的研究工作主要集中在以下三個方面:一是因為單質(zhì)硫本征特性為電子絕緣，且容易發(fā)生體積膨脹，如何科學的設計復合材料提高正極的導電性及承受硫的體積變化為一個重要的課題;二是在充放電過程中，單質(zhì)硫向多硫化物(Li2Sn，1≤n≤8)轉(zhuǎn)變的固液固相變過程，會有部分多硫化物溶解到電解液中，造成整個電池容量的不可逆損失，此外高階多硫化物（Li2Sn，4≤n≤8）會在負極與金屬鋰發(fā)生副反應，隨著電解液被運輸回正極而

3、產(chǎn)生嚴重的“穿梭效應”，因此如何抑制多硫化物的溶解和“穿梭效應”得到重點研究;三是金屬鋰負極隨著循環(huán)的進行會有枝晶的生長，部分枝晶可能會從根部斷掉產(chǎn)生不能再被利用的“死鋰”，甚至有些枝晶可能會刺穿隔膜引發(fā)電池短路，因此如何正確科學的保護鋰負極，抑制鋰枝晶等也在逐漸受到重新的重視和研究。在鋰硫電池中，多硫化物扮演著重要的角色，也是解決鋰硫電池走向產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化的關鍵因素，因此正確的認識和理解多硫化物在鋰硫電池中的作用具有積極的意義。

4、>　　本論文的研究重點在于探索多硫化物在鋰硫電池中的關鍵作用，研究工作主要集中在復合多孔材料結(jié)構的設計來固定多硫化物、中間層柔性復合材料的設計來吸附多硫化物、多硫化物與金屬鋰固液界面層的穩(wěn)定性探究三個方面，以此為載體來理解多硫化物的特性。
　　復合多孔材料設計方面，以生物質(zhì)材料荷葉為碳源，采用氬氣氣氛下多階溫度炭化的方法制備出具有高比表面積(572.1 m2 g-1)和平均孔徑分布在3.31 nm的分級孔結(jié)構納米碳骨架;將此骨架碳

5、材料與單質(zhì)硫進行復合，充分發(fā)揮碳材料良好的導電性來改善正極材料的電子傳導率差的特點，并利用分級孔材料中良好的孔結(jié)構為多硫化物的轉(zhuǎn)化提供良好的反應位點，抑制多硫化物從正極骨架上的脫離，減少整個電池容量的不可逆損失，在此復合材料的體系下，首次放電比容量達到1246 mAh g-1，0.1C倍率下100次循環(huán)后電池容量保持在600mAh g-1，XRD及EDS實驗表明硫及充放電過程中產(chǎn)生的多硫化物能被較好的固定在碳骨架上。
　　中間層柔

6、性復合材料方面，高能球磨混合后炭化后的荷葉、60wt％聚四氟乙烯(PTFE)乳液、科琴黑，制備出具有柔性結(jié)構的用于正極和隔膜中間層的插層材料。該復合材料同時具有多級孔結(jié)構和高電子導通性，高鋰離子導通性特性，為高階多硫化物的進一步還原提供了三相緩沖反應位點，利用化學吸附作用使得多硫化物朝向負極的穿梭得到遏制。該材料的使用，在以單質(zhì)硫為正極的鋰硫電池中，電池的高倍率性能和庫倫效率得到提升，1C倍率下首次放電容量可達1350 mAh g-1，

7、100次循環(huán)后依舊能有960 mAh g-1的容量保持，在沒有硝酸鋰添加劑的前提下，電池的平均庫倫效率在95％，展示出了良好的循環(huán)穩(wěn)定性。
　　多硫化物與金屬鋰固液界面層的穩(wěn)定性探究方面，采用不同濃度的多硫化物和硝酸鋰雙鹽添加劑電解液，在固液界面膜(SEI)穩(wěn)定性測試中發(fā)現(xiàn)，0.02M Li2S5-5.0wt％LiNO3體系能夠形成較穩(wěn)定的SEI膜，在鋰銅半電池中穩(wěn)定循環(huán)可達233次，負極表面多硫化物的濃度過高或者過低都無法形成穩(wěn)