摘要
随着化石能源的大量消耗和环境污染的日益严重，可再生能源的应用逐步占据较大份额，迫切需要一种高效的新型清洁能源储存系统。锂硫电池因其高理论比容量（1675mAh·g-1）、高理论能量密度(2600Wh·kg-1)、成本低和环境友好性，被认为是一种具有广阔前景的能源转换和储存器件，其研究持续开展并取得了很大进步。然而，锂硫电池的实际应用面临着诸多阻碍，例如硫及其放电产物的绝缘性、充放电过程中的体积变化(80％)和多硫化物在正负极来回穿梭等问题。解决这些问题的有效方法之一，是将硫与具有导电框架且可限制多硫化物穿梭的多孔碳复合。生物质材料来源广泛，且具有多样化组织和可调的表面特性，基于此得到的生物质碳材料可作为硫的宿主材料以提高锂硫电池的电化学性能。本文将胖大海作为碳源，运用KOH化学活化法制备多孔碳，并对多孔碳进行杂原子掺杂改性。将杂原子掺杂前后的多孔碳分别与硫复合，制备得到硫碳复合材料。对所得多孔碳和硫碳复合材料进行形貌和结构的表征，研究了硫碳复合材料的电化学性能。主要研究结果如下: (1)以胖大海为碳源、KOH作为活化剂，在三种不同温度下采用化学活化法制备多孔碳。将三种多孔碳分别与硫热熔复合得到硫碳复合材料，对制备的多孔碳材料和碳硫复合材料的形貌结构进行表征，对组装的电池进行电化学性能测试。结果表明:800℃为最佳活化温度，此活化温度下得到的多孔碳PBC-800具有最大比表面积2045.3m2·g-1和孔容0.965cm3·g-1，多孔碳为微-介孔结构且孔径主要分布在1～3nm。由于PBC-800可将溶解的多硫化物有效限制在孔结构中，因此S/PBC-800电极表现出最优的循环性能，在0.5C的电流密度下，其初始放电比容量为968mAh·g-1，400次循环后比容量仍有363mAh·g-1，比容量保持率为37.5％。 (2)以尿素作为氮源，与PBC-800进行混合热解得到氮掺杂多孔碳N-PBC，将其与硫热熔复合得到S/N-PBC复合材料。结果表明:S/N-PBC电极的电化学性能优于S/PBC-800电极，S/N-PBC电极在0.5C测试条件下的初始放电比容量为1046mAh·g-1，循环400圈后的比容量为527mAh·g-1，比容量保持率为50.4％。这是因为N-PBC的氮掺杂不仅可以提高碳材料的导电性，而且可对多硫化物进行化学吸附，大大提高了电池的循环稳定性。 (3)以硫脲作为氮硫源，与PBC-800进行混合热解得到氮硫共掺杂的多孔碳NS-PBC，将其与硫热熔复合得到S/NS-PBC复合材料。结果表明:由于S/NS-PBC中的氮、硫杂质原子在化学吸附多硫化物方面协同发挥作用，因此其比仅氮掺杂的S/N-PBC更加有效地限制多硫化物的“穿梭效应”。S/NS-PBC电极的电化学性能有了进一步提高。在0.5C电流密度下，S/NS-PBC电极的首圈放电比容量为1089mAh·g-1，400圈后的比容量为654mAh·g-1，比容量保持率为60％。
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