摘要
电动汽车、便携式电气等快速增长的市场，都需要环保、高性能和低成本的储能系统。高能量密度、理论比容量高、成本低、原料易得的锂-硫电池(LSB)被认为是锂离子电池中最有前景的替代品。但是，由于其多硫化物溶解和穿梭，反应动力学缓慢以及循环过程中正极的显著体积变化阻碍了其实际应用，因此合理设计 LSB 的硫宿主解决其穿梭效应、加速反应动力学是加速其发展的关键。近年来，硫化聚丙烯腈(SPAN)因库伦效率接近100%、自放电率低等优势被认为是最具研究前景的 LSB 正极材料之一，但其循环性能还有待提高。多壁碳纳米管(MWCNTs)因其高导电性、大的长径比等物理性质，可满足硫正极材料的需求。然而，MWCNTs 表面呈现惰性、超大比表面积，不易于基体材料进行化学反应，易团聚。因此本论文采用MWCNTs对SPAN进行改性，制备三元共聚物正极材料，解决上述SPAN、MWCNTs作电极时的劣势，探究MWCNTs对LSB电化学性能的影响，为 LSB 的商业化应用提供理论依据。与传统的硫正极材料相比，这种三元共聚物正极材料表现出更高的容量、更好的循环性能和优越的倍率性能。主要研究结论如下： (1) 当氨基化多壁碳纳米管(MWCNTs-NH2)在电极材料中添加量为 5 wt%时，电极材料结构更加完整、硫化程度更高。MWCNTs-NH2的溶度参数值与聚丙烯腈理论溶度参数值更为接近，增大了其在基体材料中的分散性及相容性，减少了在电极材料中的团聚，提高了电池的电化学性能。在 0.2 C和 1.0 C倍率下第一圈的放电比容量分别能达907 mAh·g-1和843.4 mAh·g-1。 (2) 采用狄尔斯—阿尔德(D-A)反应，在 MWCNTs 表面接枝马来酸二胺(MDA)制备 MWCNTs-NH2。随着D-A反应时间的增长，氨基接枝率增大，当反应时间为16 h时，其接枝率可达10.00 mmol·g-1。 (3) 氨基含量越高的 MWCNTs 在复合材料中分散的越均匀，电极比表面积越大、多孔结构越明显，表现出最优的电化学性能。氨基含量最高时，电极载硫量也最大为50.75%，在0.2 C倍率下首次放电容量为943.3 mAh·g-1，循环200圈后容量保持率仍为 94.3%；在高倍率 1.0 C倍率下循环 400圈后容量保持率为93.1%。在经历 0.1 C~4.0 C不同倍率循环 80圈后，仍能恢复到 0.1 C时比容量的99.5%，表现出优异的循环及倍率性能。
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