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摘要
锂硫电池具有较高的理论比容量(1672 mAh g-1)和理论比能量(2600 Wh kg-1),并且单质硫具有储量丰富、价格便宜及对环境友好等优点,被认为是极具发展前景的下一代储能系统。然而,锂硫电池的大规模商业化应用仍受到诸多问题的制约,其中最为严峻的是多硫化物在电解液中的溶解带来的“穿梭效应”以及金属锂负极的SEI膜不稳定、锂枝晶的生长等导致的严重安全问题。针对上述问题,本论文从硫正极材料结构设计、电解液添加剂、功能性隔膜及金属锂负极保护四个方面进行相关的研究,主要的研究内容和结论如下:（1）采用简单的一步热解法制备了多孔碳纳米片和三维交联多孔碳纳米片/碳纳米管复合材料作为硫正极载体,并制备了不同硫含量的硫碳复合材料。实验制备的PC和PC/CNT均具有微孔和大孔的分级孔道结构,不但为硫正极提供了良好的导电网络和孔结构,还对多硫化物表现出良好的吸附和固定效果,有效地抑制了多硫化物的“穿梭效应”。测试结果表明,低硫含量的硫碳复合材料表现出更好的循环稳定性和倍率性能。此外,S-PC/CNT复合材料中三维交联的分级多孔结构提供了快速电子/离子运输通道,并且有利于电解液的渗透,因而表现出更加优异的电化学性能。（2）设计并制备了一种核壳结构的氮掺杂碳纳米管/超薄二硫化钼纳米片材料作为硫正极载体,核壳结构的设计避免了二硫化钼纳米片的团聚,同时利用MoS2较强的化学吸附能力和催化特性来提高锂硫电池的电化学性能。实验结果和DFT理论计算都表明MoS2纳米片可以化学固定多硫化物并催化多硫化物的转化。此外,这种独特的核壳结构还可以促进电子的快速传输和电解液渗透。测试结果表明,硫含量为70 wt%的S-NC@MoS2电极表现出优异的倍率性能和循环稳定性;当硫担载量为3.6mg cm-2时,仍然保持不错的倍率性能,且能稳定地循环300圈。（3）设计并制备了一种三明治式PVDF/PMMA/PVDF凝胶电解质功能性隔膜用于锂硫电池,利用GPE功能性隔膜良好的离子电导率和物理阻挡作用,有效地抑制了多硫化物的“穿梭效应”。其中PVDF层可以大量吸收电解液从而增强锂离子传输能力,PMMA层可以有效地阻挡多硫化物。测试结果表明,PVDF/PMMA/PVDF凝胶电解质隔膜能够提高锂硫电池的活性物质利用率和循环稳定性。（4）采用吡咯作为锂硫电池的电解液添加剂,吡咯在充电过程中通过电化学氧化聚合在硫正极表面形成一层聚吡咯保护层。该保护层不仅可以作为导电剂来提高活性物质的利用率,还可以作为吸附阻挡层从而有效地抑制了多硫化物的“穿梭效应”,并进一步提高了锂硫电池的电化学性能。测试结果表明,使用最佳添加量（5 wt%）的电解液的电池表现出优异的循环稳定性和倍率性能。（5）采用含有硝酸锂和过硫酸铵的DMSO溶液对金属锂进行处理从而在其表面生成人工SEI保护层。首先对APS/LiNO3的DMSO溶液浸泡法处理金属锂的工艺进行了优化,最终确定最佳的处理时间为5min和最佳的溶液浓度为1 wt%。其次分析人造SEI保护层的成分,主要由LixSOy和LixNOy组成,该保护层不仅提高了锂负极的界面稳定性,而且还能抑制多硫化物与金属锂之间的腐蚀反应。当作为锂硫电池负极时,电池表现出优异的循环稳定性和倍率性能。
- 出版日期2019
