高性能锂硫电池正极材料的制备及性能

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近年来,锂硫电池由于其具有超高的理论比容量(1672mAh g-1)、理论比能量(2600Wh kg-1)、硫的来源广泛以及绿色无污染等优点吸引了全球研究者的密切关注。然而,由于单质硫及其放电产物Li2S的绝缘性,硫在充放电过程中的体积变化和多硫化物易溶于电解液所造成的“穿梭效应”都限制了锂硫电池的实际应用和发展。目前关于锂硫电池的研究当中,碳/硫复合材料的研究最为广泛,也是公认的最具潜力的正极材料。本文主要通过制备出介孔掺氮碳基材料以及碳纳米管-介孔碳材料进行载硫来解决锂硫电池所面临的一系列问题。(1)介孔掺氮碳基材料用于锂硫电池的正极材料研究。首先,介孔碳可以通过介孔的毛细作用限制多硫化物的溶出,从而减少甚至消除充放电过程中的“飞梭效应”;此外,有研究表明,氮掺杂的碳基材作为硫载体,在充放电过程中氮原子与硫原子之间可以形成氮硫键,从而固定住硫。本文以魔芋精粉作为碳源,三聚氰胺作为氮源以及氢氧化钾作为活化剂,通过高温碳化并制孔,制备出具有高比表面积的掺氮介孔碳基材料。电化学测试结果显示,该复合材料在0.5 C倍率下循环200圈后可逆容量为532 mAh g-1,展现出了较好的循环性能。此外,循环过程中的库伦效率始终保持在98%左右。(2)碳纳米管-介孔碳材料用于锂硫电池的正极材料研究。碳纳米管具有良好力学性能、导电和导热性能,使其能够成为锂硫电池优秀的导电添加剂。本实验中,以碳纳米管为基体,通过水热法在碳纳米管外管壁上包覆一层水热碳.,随后高温处理除去水热碳中的含氧基团,并同时制孔得到碳纳米管-介孔碳材料。最后利用热熔法将升华硫载入碳纳米管-介孔碳的介孔中,得到碳纳米管-介孔碳/硫复合材料。介孔碳为硫提供了充分的储存空间,碳纳米管发挥了其优异的导电性能,作为导电桥梁,大大缩短了离子与电子的传输路径。电化学性能测试表明,该复合材料在0.2 C的倍率下循环200圈具有653 mAh g-1的放电比容量,当倍率增加到1 C时,循环200圈后的放电比容量仍高达569 mAh g-1,表现出了极其优异的大倍率放电性能。
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