摘要
实现“碳中和”目标对能源的高效获取、存储、转化和利用提出了新的挑战。锂离子电池在过去30年里给便携式电子设备与电动汽车等领域带来了革命性的变化。然而其受限的能量密度已经越来越难满足当前迅速发展的社会需求。锂硫电池具有高的理论能量密度，硫储量丰富，对环境污染小等优点，被认为是最接近实用化的下一代高比能二次电池，然而，硫正极迟缓的电极动力学和严重的穿梭效应等一系列问题极大地限制了锂硫电池的商业化应用。为了解决上述问题，本文通过将“蛋黄-蛋壳”结构与高效催化组分耦合加速多硫化锂（LiPSs）转化，提升锂硫电池电化学性能。主要内容如下： （1）构筑“蛋黄-蛋壳”Fe3O4@C纳米反应器，将其作为正极载体应用在锂硫电池中。其中碳壳提供快速离子通道，Fe3O4发挥吸附和催化转化的双重作用以及“蛋黄-蛋壳”结构的内部空腔缓解体积膨胀，从而提高反应动力学。结果表明，S/YSFe3O4@C正极在0.2C下提供了1073.7mAhg?1的初始容量，在2.0C下的初始放电比容量为636.5mAhg?1，循环300圈后的放电容量为515.9mAhg?1，容量保持率在81%。 （2）对YSFe3O4@C进行磷化处理，通过控制不同的磷化时间得到“蛋黄-蛋壳”Fe3O4/FeP@C异质结构，将其作为正极载体应用在锂硫电池中。利用“蛋黄-蛋壳”结构的封装硫功能，充足暴露的活性位点和非均相界面的嵌入电场，以及Fe3O4（强吸附）和FeP（快速转换）组分之间的协同效应，可以平衡对多硫化物的捕获-扩散-转化过程，促进FeOCP-2h电极的稳定性。结果表明，S/FeOCP-2h正极在0.5C显示出1186.5mAhg-1的高初始比容量，在3.0、4.0和5.0C下，循环300圈后的放比电容量分别维持在565.5、510.6和392.5mAhg?1。而且，在5.20mgcm?2的硫载量、7μLmg?1的液硫比下，S/FeOCP-2h正极的初始比容量高为970.3mAhg?1。 （3）对YSFe3O4/FeP@C进行结构优化，精密调控内部核，通过控制不同刻蚀时间得到“蛋黄-双壳”Fe3O4@FeP@C异质结构，将其作为正极载体应用在锂硫电池中。复杂的双壳结构能高效抑制LiPSs向外扩散，同时，内部空腔还可以提高对硫的负载和减轻充放电过程中的体积波动，另外，Fe3O4@FeP异质结构不仅可以与硫紧密接触以提高其利用率，还可以提供结合LiPSs并加速其转化的活性位点，重要的是，具有多硫化物吸附梯度的核壳结构能够合理调节多硫化物扩散和沉积，提高硫利用率。结果表明，S/Yolk-shell-2正极在0.5C下显示出1249.9mAhg?1的高初始比容量，甚至在6.23mgcm?2的高硫载量下，S/Yolk-shells-2正极的初始比容量高达1070.3mAhg?1。
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