摘要
随着现代科学技术的迅猛发展，人类对绿色环保清洁能源的需求日渐迫切，电池领域逐渐成为了人类关注的热点。近年来，锂硫电池因其自身理论比容量高、活性物质成本低、安全性能高等优势，成为了各国研究者的研究重点。但因其自身存在电导率低、体积膨胀及穿梭效应等弊端，使电池的放电性能和循环性能都受到了影响。对正极材料进行改性成为优化电池性能的一种重要手段。 本文主要探究了改性钒金属氧化物作为锂硫电池正极材料的制备以及性能分析。首先，采用氩气气氛下高温烧结法将商业V2O5与S按照不同质量比均匀混合经充分煅烧后，涂覆于铝箔表面，制成复合电极材料。实验结果表明该材料颗粒虽然有明显团聚现象，但仍具有较大的比表面积和孔隙率。当商业 V2O5与 S 质量比为 9∶1 时，电流密度为 0.5 A/g 时，比容量可达 110.86 mA h/g。 其次，为了优化材料结构，提高 S 负载量，分别以聚乙烯醇和蔗糖为碳源，得到碳包覆V2O5基体材料。再利用热熔法将S按不同质量比复合后，得到碳包覆 V2O5/S 复合电极材料。经扫描电子显微镜（SEM）、X 射线粉末衍射（XRD）、循环伏安（CV）、交流阻抗（EIS）、充放电测试等分析可知，当以聚乙烯醇为碳源，碳包覆V2O5与S 质量比为1∶3 时，在320 mA/g电流密度下放电比容量可达590 mAh/g，100 次充放电循环后其放电容量仍然超过400 mAh/g。而当以蔗糖为碳源，碳包覆V2O5与S 质量比为1∶4 时，在320 mA/g电流密度下放电比容量可达670 mAh/g。进行100 次充放电循环后其放电容量仍然超过400 mAh/g。通过两种碳源制备出的碳包覆V2O5基体材料，可显著提高S 的负载量，并且结构更加稳定。将两种碳源进行比较，在320 mA/g 电流密度下循环100次后，聚乙烯醇作为碳源时容量衰减率为33.4%，蔗糖作为碳源时容量衰减率为38.8%。聚乙烯醇在制备过程中煅烧所需温度更低并且体积变化较小，材料的损失率小，更方便于后续合成。 最后，通过水热法制备出纳米级V2O5，研究发现当水热温度为140℃时，材料整体分布均匀，电化学性能最佳。在此基础上选择聚乙烯醇作为碳源进行包碳处理后，再与S按照不同质量比进行复合，得到碳包覆纳米V2O5/S复合电极材料。通过物理表征与电化学性能测试发现，纳米级V2O5材料可以有效提高硫载量，虽放电容量略有下降，但其循环稳定性得到了显著改善。当纳米级V2O5与聚乙烯醇质量比为1∶1，包碳材料与S质量比为1:5时，表现出最优异的电化学性能。在340 mA/g电流密度下放电容量可达483 mAh/g，循环150 次后容量仍在270 mAh/g。
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