摘要
在如今的移动互联网时代，移动设备在各个领域飞速发展，对此相应的电池体系需要更高的比容量。锂硫（Li?S）电池因其理论能量密度高达2600 Wh?kg-1，且正极材料硫成本低、无污染，成为了极具发展潜力的下一代高能电池。然而，Li?S电池存在着一些问题，例如中间产物多硫化锂（LiPSs）产生的“穿梭效应”，以及可燃的电解液引起的安全性问题，其阻碍了Li?S电池的商业应用。本文以含磷化合物的阻燃性为基础，阻止电解液燃烧起火的同时，解决穿梭效应和负极锂枝晶等问题，实现 Li?S电池安全性能和循环性能的协同提升。主要内容如下： 首先，考虑到聚烯烃隔膜（聚乙烯PE或聚丙烯PP隔膜）热稳定性差，设计了一种耐热防火的隔膜。先用酚醛树脂（PFR）修饰陶瓷涂层隔膜（CCS）得到 CCS@PFR，再在 CCS@PFR隔膜上涂覆聚磷酸铵（APP）得到 APP-CCS@PFR隔膜。PFR提高了CCS隔膜受热后的稳定性，使得 CCS@PFR作为热支撑层。APP在隔膜表面可形成致密的多磷酸层，阻隔空气且释放出氮气等不易燃的气体，从而达到防火的目的。得益于APP对LiPSs的吸附作用，采用APP-CCS@PFR隔膜的Li?S电池表现出了高循环稳定性和高倍率性能，在0.5 C的电流密度下循环300圈后的容量保持率是70.5%。 再者，为了进一步研究P、N复合型阻燃剂对Li?S电池性能的影响，选用六氟环三磷腈（HFPN）作为电解液添加剂。HFPN不仅可以提高电解液的阻燃性，而且由于其独特的分子结构，所支撑的固态电解质界面膜具有优异的力学性能和锂离子传导性。HFPN还可以缓冲锂负极的体积膨胀，引导锂离子的均匀沉积。同时，基于密度泛函理论计算，HFPN结构稳定，对锂金属的亲和力比较强。使用HFPN添加剂的Li?S电池的循环寿命和库仑效率显著提高，库仑效率在0.5 C下的200个循环中始终保持在98%左右。 最后，将磷腈类阻燃剂与钴原子络合形成钴-磷腈络合物（Co-HFAPP）。Co-HFAPP不仅保持了磷腈的阻燃性能，而且具有电化学催化作用，可以加速LiPSs之间的氧化还原反应动力学，抑制Li?S电池中的可溶性中间体LiPSs穿梭。之后用Co-HFAPP修饰碳化纤维纸中间层作为阻燃“副电极”，多孔网络结构的碳基体可以有效容纳 LiPSs，以实现活性材料的充分利用。相应的电池表现出了优异的循环稳定性，在1 C的电流密度下循环500圈后的容量保持率为68.9%。
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