摘要
为应对日益严峻的气候变化，发展高效清洁的储能系统，电池储能系统需要达到更高的能量密度、循环寿命以及安全性。使用硫作为活性物质的锂硫（Li-S）电池，拥有着较高的材料理论比容量（1675mAhg-1）和电池理论比能量（2600Whkg-1），其将地球含量丰富的硫作为正极与高能锂金属负极结合在一起，被认为是优于最先进锂离子电池（LIB）的下一代电池技术。但是，锂硫电池的商业应用道路上仍存在着一些障碍：可溶性多硫化锂（LiPS）的“穿梭效应”和硫的氧化还原转化过程的缓慢动力学；锂在负极侧的不均匀沉积形成的树枝状锂等。本文首先使用碳纤维构建了三维导电骨架，实现了材料优异的导电性及良好的机械性能，牢固的三维网络状结构可以改善电极充放电前后体积膨胀的固有缺陷，接着对材料进行进一步的化学修饰，为催化多硫化锂转化与引导锂均匀沉积提供更多的活性位点，实现对多硫化锂的“穿梭效应”与负极锂枝晶生长的抑制作用。本文主要研究工作与结论如下： （1）采用静电纺丝法和硒化处理制备了柔性自支撑NiSe2-CoSe2@CNF纳米纤维膜。NiSe2-CoSe2@CNF以碳纳米纤维网络作为骨架，纤维表面为层状的NiSe2-CoSe2异质结构。材料在作为电池正极使用时，电极在1C倍率下的500圈循环中，初始比容量可达到1004mAhg-1，且每个循环的衰减率仅为0.03%；作为电池负极使用时，能显著降低锂成核过电位，抑制锂枝晶的生成；作为电池通用电极使用时，S/NiSe2-CoSe2@CNF|Li/NiSe2-CoSe2@CNF电池在1C倍率下初始比容量为943mAhg-1，循环500圈后仍能保持732mAhg-1，容量保持率为77.6%，整体的库伦效率可以维持在99%以上。将通用电极应用到软包电池上时，0.05C倍率下每圈循环损失为0.19%，且在电池弯曲不同角度时几乎不影响其正常运行，体现了该一体化柔性电极在锂硫电池中的优异电化学性能与制造柔性电池器件的潜力。 （2）使用静电纺丝法以及蒸镀处理制备了柔性自支撑ZnO-Co3O4@CNF负极材料。由碳纤维三维导电骨架提供稳固的大储锂空间，纤维表面为ZnO与Co3O4共同作用的亲锂梯度，能有效降低锂在电镀/剥离过程中材料表面的局部电流，使锂离子分布更加均匀。由电化学性能测试证明ZnO-Co3O4@CNF具有优异的储锂与无枝晶化沉积的特点，作为电池负极使用时，电池的成核过电位/倍率性能/可逆性能较之使用纯锂负极得到明显提升。电极在1mAcm-2，1mAhcm-2下表现出超低的12mV电压极化，在5mAcm-2，5mAhcm-2的电流密度下仍能维持19mV的低电压极化。
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