鋰硫電池正極改性、結構設計及電化學性能研究.pdf

1、鋰硫電池是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ母吣芰棵芏榷武囯姵?，其正極材料單質硫具有比容量大、成本低廉、環(huán)境友好等優(yōu)點。然而，硫正極也存在諸多缺點:
　　(1)硫及還原產物常溫下具有電子絕緣性;
　　(2)硫電極在充放電過程中會形成易溶于電解液的多硫化物并產生穿梭效應;
　　(3)硫電極在充放電循環(huán)中存在較大的體積效應。
　　這些因素造成鋰硫電池活性物質利用率低、循環(huán)性能差、倍率性能不理想，阻礙了鋰硫電池的實用化。
　　

2、圍繞解決硫電極存在的關鍵問題，本論文從設計、構筑硫基復合材料和電極結構出發(fā)，開展了多方面對硫正極的改性研究工作。本文系統(tǒng)研究了不同碳材料對于碳硫復合材料結構和性能的影響;采用噴霧熱分解法制備了鋰硫電池新型碳硫復合正極材料;研究了多功能碳紙用于硫正極集流體的電化學性能;采用磁控濺射和電化學沉積導電膜的方法對硫正極進行了極片修飾;設計并制備了新型鋰硫電池正極結構和導電隔層，研究了其獨特的電化學性能及作用機理。具體研究結果如下:
　　采

3、用液相原位沉積的方法制備了碳納米管/硫(CNT/S)、碳纖維/硫(CNF/S)、活性碳/硫(AC/S)和導電炭黑/硫(SP/S)復合材料，對四種材料的測試結果比較表明:碳材料的結構和形貌是影響復合效果的關鍵因素;多孔碳材料較無孔或少孔碳材料更能改善硫正極的循環(huán)穩(wěn)定性和提高活性物質利用率;CNT/S和AC/S復合材料表現(xiàn)出較好的電化學性能，CNT能提高復合材料導電性，但復合均勻度欠佳，實際入孔的有效載硫量有限;AC能有效吸附活性物質硫，但

4、導電性欠佳。
　　采用噴霧熱分解法，以SiO2為模板制備了比表面積達1133 m2 g-1總孔容為2.75 cm3 g-1的介孔碳球(SPC)，并以此作為負載硫的導電基體，制備了介孔碳球/硫復合材料(SPC/S)。電化學研究表明，碳球的三維結構可以有效增強復合材料的循環(huán)穩(wěn)定性，0.2 C倍率下循環(huán)50次的容量為637 mAh g-1，循環(huán)容量保持率為62.9％。此外，碳球內部的介孔有利于硫的納米化，能起到限域捕捉活性物質和縮短離子

5、擴散路徑的作用，有利于提高材料的倍率性能，1C倍率下仍有470mAh g-1的容量。
　　在硫正極制備工藝方面，引入商業(yè)碳紙用作正極集流體。電化學研究表明，碳紙作集流體能顯著改善硫正極的循環(huán)穩(wěn)定性，0.2 C倍率下循環(huán)100次容量仍有786 mAh g-1，循環(huán)容量保持率為89.6％。在正極構造中，碳紙既能作為集流體，又能作為負載活性物質硫的基體，限域和捕捉溶解的多硫化物，具備多重功能。這種顯著的改善歸因于碳紙具有優(yōu)異的導電性和多

6、孔網絡骨架結構。
　　在正極修飾方面，采用磁控濺射噴涂導電碳膜修飾SPC/S復合正極，0.5 C倍率下，鍍碳SPC/S復合正極首次放電容量為956 mAh g-1，50次循環(huán)后容量保持在642 mAh g-1，容量保持率提高到67.2％;采用電化學沉積聚苯胺(PANI)導電膜修飾純S正極，0.2 C倍率下，PANI涂層S正極首次放電容量為1094 mAh g-1，100次循環(huán)后容量保持在725 mAh g-1，容量保持率提高到66

7、.3％。研究表明，磁控濺射鍍碳能有效增強電極導電性，減少碳硫復合材料中活性物質的不可逆損失;電化學沉積PANI能形成導電納米網狀結構，有效束縛活性物質硫，減小多硫化物的溶解和擴散。
　　在正極結構設計方面，設計并制備了兩種在正極和隔膜之間含隔層的鋰硫電池:采用簡單的濾紙?zhí)蓟に嚝@得了性能優(yōu)良的導電碳紙;采用簡單的商業(yè)鎳網壓制工藝獲得了結構穩(wěn)定的導電鎳網，分別引入到傳統(tǒng)鋰硫電池中作為隔層使用，其電化學性能獲得了顯著改善。0.2C倍率