【摘 要】
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室温钠硫电池体系由于具有比容量高、安全性好、成本低、环境友好等特点,成为目前钠电池领域内研究的热点。但室温钠硫电池中硫正极存在硫与多硫化物的导电性差、充放电过程中体积变化所带来的粉化,以及可能存在的“穿梭效应”等一系列问题,严重阻碍了室温钠硫电池的实际应用。为了解决上述问题,本课题将研究集中在硫正极上,基于钴修饰ZIF前驱体构建钴修饰氮掺杂碳基体材料并与硫复合,针对性地解决室温钠硫电池正极导电性差
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室温钠硫电池体系由于具有比容量高、安全性好、成本低、环境友好等特点,成为目前钠电池领域内研究的热点。但室温钠硫电池中硫正极存在硫与多硫化物的导电性差、充放电过程中体积变化所带来的粉化,以及可能存在的“穿梭效应”等一系列问题,严重阻碍了室温钠硫电池的实际应用。为了解决上述问题,本课题将研究集中在硫正极上,基于钴修饰ZIF前驱体构建钴修饰氮掺杂碳基体材料并与硫复合,针对性地解决室温钠硫电池正极导电性差、体积变化严重及电化学反应动力学较慢等问题。此外,通过对该材料构建理论界面模型及对其储能机理进行研究,分析该材料的微孔结构和Co元素所起到的作用,为后续室温钠硫电池的发展提供依据。分别通过浸渍法与共晶法合成两种不同的Co修饰ZIF前驱体,并通过高温碳化及与硫复合得到钴氮掺杂碳载硫复合材料（S@Co/NC）。高温碳化后的基体材料的形貌完整,具有较高的比表面积和微孔体积。通过浸渍法与高温碳化制备的载硫复合材料当中,浸渍时间为0.5 h的
[email protected]/NC-1的材料性能优异,0.1 C具有1271 m Ah·g-1的初始比容量,3.0 C仍可提供691 m Ah·g-1的可逆比容量,在0.2 C和1.0 C下分别循环100次和150次后容量保持率分别为90.9%与84.0%。通过共晶法与高温碳化制备的S@Co/NC-2载硫复合材料中,锌钴比为9:1时材料的性能优异,0.1 C具有1336 m Ah·g-1的初始比容量,3.0 C仍具有835 m Ah·g-1的可逆比容量,在0.2 C和1.0 C下分别循环100次和200次后分别保持93.8%与84.7%的容量。通过TEM、XRD等测试分析发现,基体材料中Co元素的存在形式与其含量有关,在Co元素含量较少时以小团簇的形式存在,而随着Co含量的提升,小团簇的Co自发团聚,形成Co颗粒。理论计算表明,单分散的Co、N元素会改善碳基体界面的导电性,提高界面对硫及多硫化物的吸附能力和电化学性能。通过GITT验证了Co元素能够改善Na+的扩散速率,并通过不同扫速CV曲线和不同电位下EIS曲线,证实Co元素在电化学反应过程中起到了加速作用。同时,通过构建不同尺寸微孔界面模型证明了一定大小的微孔结构会对硫及多硫化物产生限域作用。
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