论文部分内容阅读
近年来,基于硫相态变化的多电子反应机理的锂硫电池（Li–S）成为储能领域的研究热点,其理论比能量密度高达2600 Wh kg-1。然而,常规液态锂硫电池中存在穿梭效应,导致电池容量衰减、自放电等问题;此外,有机电解液易燃易爆的特性会引起电池发生热失控。相比较而言,固态锂硫电池具有穿梭效应弱和热稳定性高的固有优势。但是,电池所用固态电解质膜厚普遍大于100μm,锂离子电导率低,比面电阻大。针对以上问题,本文以抑制穿梭效应和强化锂离子传递为研究目标,以有机-无机层状复合膜的结构理性构筑-微环境协同调控为基础,以隔膜微结构与离子传递间构效关系研究为重点,提出了阻硫特性和锂离子传递特性强化的新方法与策略,最终制备出锂硫电池用高性能隔膜和复合固态电解质。主要研究内容和结果如下:（1）商业隔膜表面改性:针对液态锂硫电池商业隔膜（PP）因多孔而存在多硫穿梭效应问题,提出了对其表面进行有机-无机层状复合膜改性策略。选用具有一定刚性和导电性的MXene纳米片和富含磺酸基团的Nafion为改性材料,采用共混抽滤法将其层层有序堆叠制备层状复合改性层。结果显示,MXene纳米片利于形成规则有序的层状膜,从而物理阻隔多硫化物的扩散;而其导电性利于对溶解多硫化物的再利用。Nafion可在成膜过程中作为表面活性剂促进了MXene的有序堆叠,进入层间后改变通道化学环境,通过静电排斥作用抑制多硫化合物的穿梭。该层状复合改性层通过物理阻隔和静电排斥协同高效抑制了穿梭效应:与纯PP隔膜装配的电池相比,改性隔膜电池的初始容量从834 m Ah g-1提高至1234 m Ah g-1;在1 C电流密度下经过1000次循环后每循环衰减率仅为0.03%,显著优于PP电池（0.1%）。（2）新型层状复合固态电解质开发:针对固态锂硫电池对固态电解质的功能需求,提出了制备高锂离子传导有机-无机层状复合电解质的策略。选用电子绝缘且富含路易斯酸的蛭石和具有离子传导功能的PEO为材料,采用溶胀-抽滤法制备层状复合电解质。结果显示,电解质膜厚仅为10μm。蛭石有序堆叠可保证稳定层状结构,且利于表面硅原子和锂盐产生路易斯酸碱作用,促进锂盐解离;PEO进入层间后受限域效应影响结晶度显著降低,在层间形成长程连续的离子传递通道,锂离子传递能垒显著降低。在30 oC下,层状复合的比面电阻低至66Ωcm2,比纯PEO电解质小近两个数量级;在60 oC和0.05 C电流密度下,装配的锂硫电池稳定循环150圈容量仍拥有1017 m Ah g-1的可逆比容量,这比纯PEO电池初始放电比容量还要高183 m Ah g-1。