摘要
锂硫电池（Li-S）具有超高的理论比容量（1675mAh g-1）和能量密度（2600Wh kg-1）是最有前景的新型二次电池。然而，锂硫电池存在硫的绝缘性、氧化还原动力学缓慢以及多硫化锂的穿梭等问题，导致其商业化进程仍然受到活性物质载量及利用率低、循环稳定性差等诸多因素制约。 研究表明，金属化合物负载的氮掺杂碳材料是锂硫电池正极材料的最佳选择。与其他化合物相比，钒基化合物与多硫化锂之间存在着适宜的化学吸附作用，而且锂离子在其表面扩散所需的活化能更低，能够有效的抑制多硫化锂的穿梭，提升其循环稳定性。同时钒基化合物还具有优异的导电性和超高的催化活性，可以加速硫的氧化还原动力学。本文利用熔融盐法制备钒基/氮掺杂的多孔碳网络，并通过N原子锚定、双金属掺杂等方式增加活性位点密度提升材料的催化性能。主要工作如下： （1）通过一步热解法制备了氮化钒（VN）纳米粒子镶嵌的多孔氮掺杂碳网络（VN@NC）。该方法制备的材料中的NC作为导电基体，具有大比表面积、多级孔等优势，为硫和金属颗粒提供了足够的空间。VN颗粒分散较为均匀，有利于加速多硫化物的催化转化从而抑制穿梭效应。VN@NC作为锂硫电池的正极在0.2C和1C电流密度下放电比容量分别达到1050mAh g-1和693mAh g-1，同时在1C下循环500圈每循环的衰减率为0.059%。 （2）为进一步提升金属分散性，减小颗粒尺寸。首先，利用NaCl作为熔融盐模板制备碳基底。然后，选用三聚氰胺作为二次氮源，利用N原子的sp2轨道锚定钒原子，制备出多孔氮掺杂碳负载的超细氮化钒颗粒(VN/M/NC)。该材料中金属颗粒分散均匀，暴露更多的催化活性位点，加速反应动力学，提升硫的利用率。制备过程中偏钒酸铵分解使碳基底中微孔增加，物理吸附能力增强，提升了抑制穿梭效应的能力。该材料在0.2C时放电比容量可达到1080mAh g-1并且在1C电流密度下容量高达823mAh g-1，同时在1C下循环500圈每循环的衰减率仅为0.037%。 （3）为进一步提升材料的催化活性，采用高温焙烧法制备了钴、钒双金属负载的多孔氮掺杂碳材料（Co-VN/NC）。多孔氮掺杂的碳基底具有较大的比表面积，为金属的均匀负载提供有利条件，双金属催化剂具有更加丰富的活性位点，改善材料的固硫能力，同时加速多硫化物的转化进而提高活性物质的利用率。在0.2C时放电比容量高达1170mAh g-1，在1C电流密度下仍可达到821mAh g-1，并且在1C下进行500圈的循环稳定性测试平均每圈的衰减率仅为0.078%。
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