摘要
锂硫电池凭其高理论比容量、高能量密度和低成本被认为是具有广阔应用前景的下一代储能电池体系。然而锂硫电池的性能严重受限于充放电过程中的多硫化物的穿梭效应及锂枝晶的无序生长等问题，因此其商业化应用受到阻碍。隔膜是电池的重要组成部分，其特性直接影响电池的充放电性能与安全性能。常规商业化隔膜极性低且无选择透过性，难以满足高性能锂硫电池的应用需求。因此，发展面向锂硫电池应用的隔膜体系至关重要。细菌纤维素（BacterialCellulose，BC）材料具有丰富的表面含氧官能团及独特的孔结构特性，易于进一步修饰改性且绿色环保、成本低廉，是理想的锂硫电池隔膜材料。深入理解BC与多硫化物的作用机制及其对锂枝晶生长的影响是BC在锂硫电池中应用的前提。基于此，本论文制备了BC隔膜，通过对比研究重点探究其锂硫电池性能及相关机理。在充分掌握BC隔膜锂硫电池特性的基础上，通过化学接枝对BC隔膜进行了修饰，从而进一步改善了其电池性能。本论文的主要内容概括如下： （1）采用真空冷冻干燥的方法合成了BC隔膜，选取了聚乙烯隔膜（PE）、聚丙烯隔膜（PP）和玻璃纤维隔膜（GF）共3种商业化隔膜作为对比，通过测试四种隔膜的表征及其电化学性能分析探讨了BC隔膜与多硫化物的相互作用及其对锂负极稳定性的作用。研究结果表明，BC隔膜相较其他隔膜具有更大的比表面积和孔隙率，更高的离子电导率和离子迁移数，并对多硫化物有更好的阻隔吸附作用。由于BC隔膜的上述优点，装配BC隔膜的锂硫电池表现出良好的循环和倍率性能，其在0.1C倍率下具有1476mAhg-1的初始放电比容量。同时，BC隔膜表面丰富含氧官能团可参与SEI膜的形成，能缓解电解液的分解并改善锂负极的界面稳定性。其锂金属电极在对称电池测试中循环800h后保持稳定，无明显锂枝晶生长。 （2）通过化学接枝方法将聚乙烯亚胺(Polyethyleneimine,PEI)修饰至BC隔膜表面，制备得到PEI@BC隔膜，以进一步调制基于BC隔膜的锂硫电池中锂枝晶的生长行为。采用PEI@BC隔膜组装的Li/Li对称电池具有良好的循环稳定性，可在2mAcm-2电流密度下以~40mV的过电位连续充放电800小时以上。进一步的表征分析表明，PEI@BC隔膜中的羟基和氨基分别参与了氧化锂和氮化锂的形成，促进了具有高离子电导率的SEI膜形成，从而实现了锂离子在锂金属表面的均匀沉积。同时，PEI@BC隔膜的表面氨基可以通过化学吸附来抑制多硫化物的穿梭。PEI@BC隔膜组装的锂硫电池表现出较好的充放电性能，在0.2C倍率下循环200圈后保持可保持472.1mAhg-1的容量。
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