摘要
锂硫电池，因其超高的能量密度(2600Whkg-1）、丰富的单质硫储量及低成本等优势，被视为继锂离子电池之后最有应用前景的二次电池储能体系之一。锂硫电池的大规模商业化应用受如下几方面的限制:（1）单质硫（S8）和放电最终产物（Li2S）的低电导率影响电荷传递;（2）S8/Li2S的较大密度差异导致电池体积膨胀;（3）中间产物多硫化锂（LiPSs）在充放电过程中发生穿梭效应影响S8的有效利用率;（4）锂枝晶的生长引发电池短路。目前，研究人员分别从正极单质硫的宿主材料、隔膜涂层改性、电解液及锂负极出发来解决上述问题，其中针对商用聚丙烯隔膜的超大孔结构进行涂层改性成为主流研究方向。本论文基于煤沥青及MXene独特的物化性质，构建了两种不同二维杂化材料并用作锂硫电池隔膜涂层。利用二维结构的物理阻挡功能限制LiPSs的穿梭行为，利用二维材料表面化学吸附作用及催化活性进一步提高多硫化锂的转化效率，从而有效提升锂硫电池的综合电化学性能。主要研究结果如下: （1）以煤沥青为原料，经炭化、熔盐插层和热处理制得表面分散铁金属单原子的二维多孔炭纳米片（LTSICH@Fe）。利用煤沥青甲苯可溶物盘状稠环化合物的结构，在低温液相炭化过程自由基发生共聚合形成各向异性大平面分子，在高温炭化过程各向异性大平面分子裂解制得分层的二维炭纳米片;利用熔盐插层增大炭纳米片的层间距;利用FeCl3受热分解产生氯气和氯化铝与水的激烈反应对炭纳米片造孔制得分散有铁金属单原子的二维多孔炭纳米片。 （2）熔盐插层增大了炭纳米片层间距，构建了Li+的快速通行通道;无机盐经插层和酸洗后形成平均孔径为4.48nm的介孔结构有效阻挡了多硫化物的穿梭扩散;炭纳米片表面分散的铁金属单原子通过形成Fe-S键化学吸附多硫化物，缩短了多硫化物的转化路径，增强了多硫化物的转化动力学。 （3）在LTSICH@Fe修饰隔膜的加持下，改进的锂硫电池表现出优秀的综合性能:0.5C充放电200次后剩余容量为784.1mAhg-1。1C充放电1000次剩余550.7mAhg-1的容量，每圈容量衰减率低至0.049％。使用5.17mgcm-2的高载正极片组装的电池循环100次维持了751.7mAhg-1的可逆容量。 （4）以MAX-V2A1C为前驱体，采用拓扑转化法与水热刻蚀法原位制备了二维钒基碳化物/硫化物的异质结（V2C-V3S4）。利用拓扑转化法将大块MAX相部分转化为二维过渡金属硫化物，采用简单温和的水热法蚀刻MAX中的A相，最终制得二维V2C-V3S4异质结构。 （5）V2C-V3S4的二维层状结构为离子和电子的扩散提供便捷路径;V2C通过形成V-S强化学键吸附多硫化物，而硫化物V3S4的存在提高了材料的导电率和极性，同时实现了对多硫化物的催化转化;V2C与V3S4的异质界面为多硫化物提供了“锚定—吸附—催化转化”三合一场所，显著加快了多硫化物的氧化还原反应动力学。 （6）将该异质材料作为隔膜修饰层展现出优秀的电化学性能:在0.5C充放电160次容量仍有858.6mAhg-1,容量保持率为75.9％。在小电流跃阶循环35圈后在4C下放电容量达744.7mAhg-1。1C下经800次循环，放电容量仍达568.5mAhg-1。
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