摘要
随着电子产品及大型储能装备的飞速发展,锂离子电池已不能满足当今的需求,现阶段迫切需要开发一种高能量密度、安全、环境友好型化学储能电池。锂硫电池不仅具有高理论比容量（1675mAh g-1）、高理论比能量(2600Wh kg-1),而且硫单质来源广泛、成本低廉,将其用于锂硫电池正极材料可降低电池的生产成本,同时锂硫电池在充放电过程中极少产生污染物质、对环境友好。因上述优点,锂硫电池被公认为当今锂离子电池的最佳替代品,但是硫单质作为锂硫电池的正极导电性差,锂硫电池工作过程中的中间产物多硫化物易溶解于电解质、发生穿梭效应产生锂枝晶、体积膨胀达80％等因素影响了锂硫电池的性能,阻碍了其商业化发展。在锂硫电池正极材料的研究中,碳纤维作为硫的载体被认为是最有潜力的材料。本文采用聚丙烯腈基碳纤维作为硫的载体,通过简单掺杂法制备了复合材料及通过原子层沉积技术制备了具有核壳结构的复合材料,将复合材料应用于锂硫电池正极,探究了其电化学性能并深入研究了其充放电机理,具体研究内容及结论如下: (1)碳/硫/氧化锌复合材料的制备及其电化学性能研究 利用简单混合法制备了碳/硫/金属氧化物复合材料用于提高锂硫电池的导电性及循环稳定性。首先,通过碳化聚丙烯腈膜得到富氮的聚丙烯腈基介孔碳纳米纤维(CPAN),热熔载硫后得到碳/硫复合材料(C/s),最后通过简单球磨法制备碳/硫/氧化锌复合材料(C/S/ZnO),将所制复合材料应用于锂硫电池正极。在充放电过程中,ZnO可与多硫化物产生化学键的作用,限制多硫化物溶解,提高活性物质利用率。在0.5C的倍率下C/S/ZnO电极初始比容量为876.06mAh g-1,经过130圈循环后容量保留为740.33mAh g-1,平均每圈容量衰减率仅为0.06％。在2C的高倍率下,初始比容量达678.69mAh g。1,循环100圈后容量保留为81.64％。 (2)碳-氧化镁/硫@氧化锌复合材料的制备及其电化学性能研究 利用原子层沉积技术(ALD)制备了具有核壳结构、金属氧化物掺杂的复合材料,用于限制锂硫电池正极的体积膨胀及提高锂硫电池的电化学性能。首先,利用一步掺杂法得到介孔碳-氧化镁纳米纤维(C-MgO),利用ALD对C-MgO复合材料进行包裹,最后通过热熔载硫得到碳-氧化镁/硫@氧化锌复合材料(C-MgO/S@ZnO)。通过在纺丝液中加入醋酸镁、碳化后得到富氮的氧化镁掺杂的聚丙烯腈基纳米纤维,简化了掺杂步骤、使实验易控;利用ALD技术对纤维进行包裹,使包裹层均匀、尺寸易控,金属包覆层不仅可以吸附多硫化物抑制穿梭效应同时可限制充放电过程中正极材料的体积膨胀。在0.5C的倍率下,C-MgO/S@ZnO电极初始比容量达1066.08mAh g-1,循环130圈后容量保留为1004.91mAh g-1,平均每圈容量衰减率仅为0.04％。在2C的高倍率下,电极的初始容量达846.97mAh g-1,循环100圈后容量保留率为95.98％,展现出优异的高倍率循环稳定性。
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