摘要
传统化石燃料的枯竭和环境的污染问题成为制约发展的关键，因此亟需开发一种清洁绿色的能量存储体系。基于多电子氧化还原转化反应机理的锂硫电池（LSBs）因具备高的理论比容量（1675mAhg-1）和质量能量密度（2600Whkg-1），被认为是最具前景的新一代能量存储体系。然而LSBs的实际应用仍遭受着诸多限制，如：硫导电性差；接近80%的体积膨胀；严重的“穿梭效应”；迟滞的氧化还原反应动力学；液体电解液易燃易漏等问题。针对这些问题，本论文围绕碳基复合材料和固态电解质展开研究，主要结果如下： （1）采用简单快速的微波法，以丰富的生物质分子植酸为原料合成了磷掺杂的超高比表面积碳材料（P-C），利用熔融扩散法将硒掺杂的硫（Se0.07S0.93）负载于P-C中制备了Se0.07S0.93/P-C复合材料，并研究其作为锂硫电池正极材料的应用。结果表明，P-C对多硫化物（LiPSs）具有强的化学吸附和物理限域作用，能有效抑制“穿梭效应”。Se的掺杂提高了活性物质电导率，加速了电子离子的传输，加快了氧化还原反应动力学。得益于这些优势，Se0.07S0.93/P-C在0.3Ag-1下首圈放电比容量为1392mAhg-1，循环150圈后库伦效率仍接近100%，在2Ag-1大电流密度下，首圈放电1190mAhg-1，循环780圈后容量仍保持在475mAhg-1，平均每圈容量衰减率为0.077%。 （2）以高温热解前驱体法制备了铁镍双金属负载在氮掺杂的碳复合材料（Fe,Ni/N-C），并将其作为硫宿主材料应用在锂硫电池上。结果表明，拥有大的比表面积和丰富的孔结构的Fe,Ni/N-C材料，不仅能化学吸附LiPSs，同时也能物理限域LiPSs，能有效抑制“穿梭效应”。过渡金属Fe、Ni的负载提供了LiPSs催化转化的活性位点，促进了氧化还原反应的进行，加快了硫物种的氧化还原反应动力学。得益于这些优势，S/Fe,Ni/N-C在0.2C的倍率下，首次放电比容量为1100mAhg-1，库伦效率接近100%。0.5C下次放电比容量为983.5mAhg-1，循环100圈后的放电容量仍保持662mAhg-1，在1C下循环700圈后，容量保持在421.4mAhg-1，平均每圈的容量衰减率仅为0.07%。 （3）采用浇筑法制备了PEO基固态电解质，并探究了不同比例[EO]/[Li+]的PEO/LiTFSI固态电解质的性质，优选出离子电导率较高、与锂金属界面稳定、宽电压窗口的PEO/LiTFSI([EO]/[Li+]=16)的固态电解质，并将其应用到固态锂硫电池中。进一步探究了S/C、S/Fe,Ni/N-C，Se0.07S0.93/P-C正极材料对PEO基固态锂硫电池性能的影响，其中Se0.07S0.93/P-C作为正极材料的PEO基固态锂硫电池呈现出了更优秀的电化学性能，在60℃、0.1C下首圈放电比容量1197mAhg-1，循环50圈后容量保持在826.8mAhg-1，且库伦效率保持在97.5%以上，呈现出了更优秀的循环稳定性，更小的电荷转移电阻，对PEO基固态锂硫电池性能起到了改善的作用。
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