摘要
随着社会飞速发展，人们对能源和环境问题的关注日益提高。而现代电子设备的小型化、轻便化、便携化发展，促使人们对电池提出了更高的要求。锂硫电池以其比容量和能量密度高、硫正极环保和来源广泛而备受关注。但是，硫正极材料由于导电性差、体积膨胀及容易发生“穿梭效应”等问题限制着其发展。近年来，研究学者们发现将单质硫与多孔导电宿主材料复合能够有效地解决上述问题。本文从正极材料结构出发，探究了一种简单的方法制备硫宿主材料。该方法以纤维素基碳纳米纤维为基体并应用于正极中，通过改性复合制备不同的硫宿主材料以提高电池的电化学性能。具体研究如下： (1)以纳米纤维素(TOCN)为碳前驱体，采用盐酸交联并冷冻干燥的方式制备了气凝胶，其后在惰性气体氛围中通过高温热解得到碳纳米纤维气凝胶(CNFA)，该方法以一种简单的方式制备得到比表面积高达394m2g-1的多孔三维碳纳米纤维网络结构，为硫宿主材料的制备提供了一种有效途径。随后分别通过水热法和升华法负载硫得到CNFA@S复合材料，其中升华法制备的S-CNFA@S具有更好的多孔网络结构，表现出更高的电化学性能，在0.5C倍率下，200次循环后，其比容量仍高达590mAh g-1。其后进一步探究S-CNFA@S复合材料在高负载条件下的循环性能，结果表明，即使在高负载情况下，电池仍表现出可观的可逆容量，证实了纤维素基碳纳米纤维用于宿主材料可行性，为硫宿主材料的制备提供了新的思路。 (2)在上述纤维素基碳纳米纤维@硫复合气凝胶材料的基础上，通过向前驱体中添加不同含量的碳纳米管，采用同样的方式制备宿主材料，然后通过升华法负载硫得到不同组分的复合材料，以提高其导电性。该方法在保留了三维多孔网络结构的同时，提高了材料的导电性，避免了碳纳米管的相互缠结。其中碳纳米管的质量比纤维素干重为4:6的样品40-CNFC表现出最好的三维多孔网络结构，其比表面积高达254.4m2g-1。结果表明，40-CNFC@S复合材料拥有最佳的电化学性能，在0.5C倍率下，初始比容量为858mAh g-1，120次循环后，其比容量仍高达739mAh g-1。 (3)以第三章最好的组分，将碳纳米管换成氨基化碳纳米管和磺化碳纳米管，通过引入氮元素或含氧官能团来吸附多硫化物，以达到抑制多硫化物的穿梭。其中添加磺化碳纳米管制备的样品40-CNFSC和负载硫后制得的样品40-CNFSC@S表现出更好的三维多孔网络结构，其比表面积分别达到289.3m2g-1和62.7m2g-1。结果表明40-CNFSC@S复合材料拥有最佳的电化学性能，在0.5C倍率下，初始比容量为1052mAh g-1，120次循环后，其比容量仍高达837mAh g-1。40-CNFSC@S复合材料具有更好的性能可以归因于材料的多孔结构有利于缓解多硫化物的体积膨胀；而导电网络结构有利于促进离子和电子的穿梭，提高活性物质的利用率；此外磺酸基团的引入，可以有效地吸附多硫化物缓解“穿梭效应”。
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