摘要
由于单质硫来源丰富、无污染，其作为电池正极具有较高的理论比容量（1675mAh·g-1），因此，锂硫电池在储能器件领域展现出较大的发展潜力。然而，单质硫作为锂硫电池的正极，在反应过程中存在着体积膨胀大、导电性差和多硫化物溶解等缺点，这限制了锂硫电池的大规模应用。棉秆来源丰富，廉价易得，通过碳化改性可以应用于锂硫电池的正极材料制备上。本研究使用棉杆作为生物质碳源，分别通过活化剂改性、金属硫化物包覆和生物预处理的方法制备碳材料，之后与熔融状态的硫进行复合制备复合材料，用以提高锂硫电池的电化学性能。得到的主要结论如下： （1）以棉秆为原料，KOH为活化剂，通过控制碱碳比、活化温度和掺硫量，制备硫碳复合材料。研究结果表明，高石墨化程度、大的比表面积和孔容可以起到缓解硫体积膨胀、提高硫导电性和吸附多硫化物的作用，使锂硫电池的电化学性能得到提升。当碱碳比为4:1，硫碳比例为2:1，活化温度为800℃时，制备的电极AC800-14-S-67%（硫载量为66.8%）具有最佳的电化学性能。其在0.1C电流密度下进行循环测试时，首圈放电比容量为1468mAh·g-1，100次循环后容量保持在787mAh·g-1。同时在大电流下进行充放电测试时，也展现出最佳的倍率性能。 （2）以活性碳材料（AC800-14）为基底，通过水热反应合成ACF-12N-100%MoS2，之后与熔融状态的硫制备了ACF-12N-100%MoS2-S材料。MoS2可以加强对多硫化物的吸附，阻碍容量进一步衰减，但其导电性能较差，故与碳材料结合可以降低两者的负面效应。此外，合成MoS2的原料硫脲和添加的含氮化合物均含有氮元素，为制备的材料引入了氮，从而提高了电池的电化学性能。结果表明，AC800-14-S-67%电极在0.5C下初始循环容量为915.3mAh·g-1，100次循环后容量为485.6mAh·g-1。含氮浓度为33%，碳与MoS2比例为1:1，与硫比例为1:2时，制备的ACF-12N-100%MoS2-S电极（载硫量为58.16%），在0.5C下初始放电容量为953.2mAh·g-1，循环测试100次后放电容量为694.8mAh·g-1，性能明显优于AC800-14-S-67%电极。 （3）为进一步提高电池性能，对棉秆进行了生物预处理、KOH活化和MoS2包覆，考察多种因素对材料结构和电池电化学性能的影响。结果表明，在最佳条件（纤维素酶0.3%，酵母用量7%）下进行生物预处理、KOH活化（碱碳比为4:1）和MoS2包覆（碳材料与MoS2用量比为1:1），与硫比例为1:2时，制备的Cel0.3-Ye7-ACF-N/MoS2-S材料电极（载硫量为67.165%），0.5C下放电容量为1102.1mAh·g-1，循环100次后放电容量仍保持为783.3mAh·g-1。说明纤维素酶和酵母的预处理可以增加碳材料的孔隙数量，同时实现材料的内源掺杂和均相掺杂，提高了电池电化学性能。
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