摘要
单质硫是一种对环境无污染、并且储量丰富的无机非金属材料。锂硫电池中所采用的正极材料就是单质硫，其具有很高的能量密度（2600Wh Kg-1）。因此，锂硫电池是目前非常具有应用前景的新型储能体系之一。但是，单质硫正极也存在很多不足之处：（1）室温下，单质硫不导电，是一种绝缘体；（2）单质硫在发生电化学反应时，会生成在电解液中溶解度特别高的多硫化物，产生“穿梭效应”；（3）在电池循环过程中，单质硫会发生较大的体积变化，导致电极结构破坏。这些因素会严重影响锂硫电池的电化学性能，从而阻碍锂硫电池的实用化。为此，导电性能优异、能抑制多硫化物溶解的复合正极材料的制备成为研究的关键点。本文正是围绕复合材料导电性能和抑制多硫化物溶解这两点，制备了新型的硫基复合正极材料，以期达到提高锂硫电池电化学性能的目的。论文研究内容为三个部分： （1）气相生长碳纤维（VGCF）、多壁碳纳米管（MWCNT）和活性炭（AC）是三种不同形貌结构的碳材料，将三者作为单质硫的载体，分别与单质硫复合，制备硫/碳复合正极材料。研究碳材料形貌对硫/碳复合正极材料电化学性能的影响。测试结果表明：碳材料形态对复合正极材料的电化学性能存在明显的影响。所研究的三种碳材料中，S/VGCF复合材料的电化学性能最好。S/VGCF复合材料在0.1C进行充放电时，初次放电比容量高达1204mAh g-1,通过100次充放电循环后，放电比容量为547mAh g-1。 （2）在S/VGCF复合材料表面包覆二氧化硅保护层，制备S/VGCF@SiO2复合材料，研究氧化物二氧化硅保护层对复合正极材料性能的影响。测试结果表明：在S/VGCF@SiO2复合材料中，二氧化硅保护层有助于抑制多硫化物的溶解扩散，气相生长碳纤维可以提高正极材料的导电性。因此，S/VGCF@SiO2与S/VGCF相比，具有更优的放电容量和循环特性。在0.5C进行充放电时，经过100次循环后，S/VGCF@SiO2复合材料的放电比容量为710mAh g-1,库伦效率一直保持在97%以上。 （3）通过溶胶凝胶法合成介孔的二氧化钛球，然后通过高温处理将单质硫与其进行复合得到S/TiO2复合材料。在0.5C进行充放电测试时，S/TiO2复合材料的初次放电比容量为909mAh g-1，通过100次循环后，放电比容量为705mAh g-1。复合材料电化学性能的提升归因于具有介孔结构的TiO2球，这种结构的TiO2球含有较多的孔隙，可以有效地吸附多硫化物和抑制多硫化物的溶解。同时，其较大的比表面积也为电化学反应提供了足够的反应界面。
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