摘要
锂硫(Li-S)电池因其显著的高能量密度、低成本和环境友好等特性，被认为是下一代可充电电池最有希望的候选者之一。然而硫和最终放电产物的导电性差，可溶性多硫化锂迁移引起的所谓“穿梭效应”等问题严重阻碍了Li-S电池的实际应用。开发新型硫基复合正极材料可解决Li-S电池的问题，鉴于此，本论文通过合理设计介孔碳基材料并使其功能化来改善Li-S电池性能，主要研究内容如下： 1.通过配合界面聚合和胶束介导的共组装策略，成功制备了一种高效CoSe纳米颗粒电催化剂锚定的新型氮掺杂有序介孔碳包覆分级多孔碳材料（mNC@HPC-CoSe）。其内部独特的分级多孔结构有利于充分载硫和缓解循环过程中的体积膨胀，同时有利于离子/电子的传输；介孔碳外壳起到坚固维持内部分级多孔结构的功能，同时限制多硫化物（LiPSs）向外扩散；极性CoSe纳米颗粒为锚定LiPSs提供了足够的化学吸附位点，表现出对LiPSs的强化学吸附作用并加速其快速催化转化，有效地抑制LiPSs的穿梭效应。在极性CoSe纳米颗粒与氮掺杂有序介孔碳包覆分级多孔碳的纳米结构的协同作用下，由mNC@HPC-CoSe作为硫宿主材料组装的Li-S电池表现出高硫利用率、高倍率性能和持久卓越的循环稳定性。在1C下800圈循环后，容量保持在645.3mAhg-1，平均每循环衰减率仅为0.04%。 2.通过配合界面聚合和胶束介导的共组装策略，成功制备了一种独特的双金属CoNi纳米颗粒锚定的新型二维介孔氮掺杂碳包覆石墨烯纳米片（mNC-CoNi@rGO）。所得功能性材料具有独特的三明治状介孔结构，有利于缓解充放电循环过程中的体积膨胀；同时，包覆的石墨烯作为导电基底和氮掺杂的有序介孔碳层有利于离子/电子的传输。双金属CoNi纳米颗粒为锚定LiPSs提供了足够的化学吸附位点，表现出对LiPSs的强化学吸附作用并加速其氧化还原转化，抑制LiPSs的穿梭效应。通过密度泛函理论（DFT）计算发现，与Co（111）表面相比，LiPSs在CoNi（111）表面的化学吸附能更强，同时催化转化反应所需克服的能垒更低。由于双金属CoNi纳米颗粒和有序介孔碳包覆石墨烯导电层的协同作用，其组装的Li-S电池即使在高达5.0mgcm-2的高硫负载下，在0.2C时100圈循环后面容量也能保持在5.1mAhcm-2。
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