二硫化钼基锂硫电池正极材料的制备及性能研究

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锂硫电池的理论比能量(2600Wh/kg)高,是目前商业化锂离子电池的3~5倍,且相比锂-空气电池,其更具实用化的可能,但目前依然存在正极材料导电性差、穿梭效应等问题,阻碍了其商业化。MoS2是典型的层状过渡金属硫化物,含有金属-硫键,可以与多硫化物通过静电作用或化学键的作用结合起来,在一定程度上起到固定聚硫基团防止其溶解的作用,从而抑制穿梭效应。所以将硫与MoS2和碳材料结合作为锂硫电池正极活性材料不仅能提高材料的导电性,也能抑制穿梭效应,成为当前锂硫电池的研究热点。本文将类石墨烯二维层状MoS2和三维蜂窝状MoS2纳米材料应用在锂硫电池正极材料中,采用球磨法、传统水热法和管式炉法成功制备了类石榴状硫/炭黑/MoS2复合材料和蜂窝状硫/炭黑/MoS2复合材料。通过SEM、XRD等测试手段,对样品的微观形貌和晶型结构进行了表征,采用充放电测试和循环伏安测试等测试方法对材料的电化学性能进行了研究,探讨了不同组分和形貌对电化学性能的影响。(1)以硫为基体,通过球磨法和水热法在其表面分散粒径均匀且颗粒尺寸约为50nm的炭黑颗粒,形成以硫为基体,以炭黑为导电骨架的复合材料,获得具有良好分散性的硫/炭黑复合材料的最佳制备工艺。(2)通过改变材料中炭黑的含量(硫/炭黑复合材料中炭黑的质量比分别为0%、20%、40%),制备不同比例的硫/炭黑复合材料,并将其作为锂硫电池正极活性材料研究其电化学性能,获取硫/炭黑复合材料作为锂硫电池正极活性材料的最佳配比。(3)采用插层爆破法制备层状MoS2纳米材料,利用水热法将其与硫/炭黑复合,制备类石榴状硫/炭黑/MoS2复合材料。类石榴状结构以炭黑为导电骨架,片状MoS2形成阻挡多硫化物穿梭的屏障,将其应用在锂硫电池正极活性材料中,可以有效改善材料的电化学性能。(4)采用水热法制备蜂窝状MoS2多孔材料,通过管式炉烧结法将其与硫、炭黑进行复合制备蜂窝状硫/炭黑/MoS2复合材料,将其作为锂硫电池正极活性材料,MoS2不仅可以通过静电作用或化学键的作用与多硫化物结合,还可以利用自身的蜂窝状多孔结构来固定多硫化物基团,抑制穿梭效应。
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