摘要
与传统二次电池相比，锂硫（Li-S）电池因其1675mAh/g的高理论比容量、2600Wh/kg的超高能量密度及较低的成本，成为极具商业化潜力的能源存储技术。然而，锂硫电池中正极侧多硫化物(LiPS)溶解导致的“穿梭效应”，缓慢的氧化还原反应动力学，以及在负极侧表面锂离子非均匀沉积产生的锂枝晶等问题，造成电池放电容量、倍率性能及循环稳定性的降低，极大限制了锂硫电池的实际应用。针对上述问题，本论文从构建功能性隔膜入手，通过设计、制备微纳结构钴基化合物及Co-N-C材料并对隔膜进行修饰，利用功能性隔膜“吸附-催化转化”协同作用，实现对可溶中间产物多硫化物的锚定并促进其催化转化，抑制穿梭效应；同时利用隔膜修饰材料的微纳特殊结构加快离子传输、均匀分布锂离子传输通量，改善充放电倍率性能及促进锂的均匀沉积，最终实现电池性能的整体提升。具体研究内容如下： (1)通过微波水热结合热处理制备了富缺陷的海胆状Fe-Co3O4。优化Fe的掺杂量，实现材料形貌和缺陷位数量的双重调控。Fe掺杂及氧空位的存在提升材料的导电性，海胆状结构加速反应过程的离子传输速率，使充放电过程中的反应加快，倍率性能得到提升，在5C时容量为528mAh/g；同时Fe-Co3O4对多硫化物的强吸附作用有效抑制了穿梭效应。经其修饰的隔膜组装电池后表现出优异的循环稳定性，在1C倍率下循环800圈，每圈容量衰减率仅为0.04%。 (2)通过微波水热辅助并结合后续硫化，成功制备了纳米颗粒构成的球簇结构FeS2-CoS2异质结材料。将其涂覆于隔膜并用于锂硫电池，通过相关实验结合理论计算结果证明，该材料对多硫化物的协同吸附和催化转化可有效抑制穿梭效应，电池循环稳定性得到明显改善。同时，FeS2-CoS2异质结材料提高了锂离子扩散速率，电池倍率性能有明显提升。组装的电池3C倍率下可逆容量达623mAh/g，且在3.1mg/cm2的高硫担量下，0.1C循环100次依然保持708mAh/g高比容量。此外，锂-锂对称电池结果表明FeS2-CoS2功能性隔膜对锂的均匀沉积起促进作用。 (3)通过在ZIF-8中引入Co离子(Zn-Co-ZIF)，结合热解过程蒸发锌成功制备了钴嵌入的叶片状氮掺杂碳(Co-N-C)，将其涂覆于商业化隔膜构建功能性隔膜。所制备Co-N-C材料中单质钴催化剂呈均匀分散状态，且借助碳材料本身较大的比表面积充分暴露出活性位点，可有效的催化转化多硫化物；同时其保留MOF材料的大量微孔结构能够有效储存电解液，加快离子的传输；此外氮掺杂碳的存在有效提高了导电性。结合Co-N-C对多硫化物良好的吸附效果，“吸附-催化转化”协同作用得到增强，电池整体性能明显提升。0.1C倍率下首圈比容量高达1408mAh/g，5C倍率下依然保持551mAh/g；且在1C倍率下循环400次，衰减率仅为每循环0.05%。
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