摘要
锂硫电池（LSBs）因受益于硫正极和锂负极之间的多电子电化学反应而具有2600Whkg-1的理论能量密度，是传统锂离子电池的五倍。另外,硫作为正极材料具有来源广泛、环境友好和成本低等优势。然而由于可溶性多硫化锂在正极与负极之间的穿梭行为而造成的电池容量降低和循环稳定性差等问题使Li-S电池的应用受到了极大的限制。庆幸的是，目前已有电化学催化的方法可以有效地促进可溶性多硫化锂的转化过程，而借助太阳光进行光催化反应的方法能够更好地提升催化性能，从而更有效地抑制穿梭效应。其过程为光激发产生的光生电子和光生空穴分别参与放电时的S8还原过程和充电时的Li2S氧化过程，从而促进锂硫电池充放电过程中的氧化还原反应动力学过程。另外，由于共价半导体二硫化钼（MoS2）的导带和价带的电子态均来自Mo4d轨道，因此电子的光激发不会显著削弱Mo和S原子之间的基本化学键，从而使得MoS2具有良好的光降解抗性。因此，选择二硫化钼作为本研究的基本材料并且在锂硫电池中利用太阳光进行光催化反应可以提高电池的动力学性能，进而抑制穿梭效应、改善LSBs的电化学性能。 1.设计与构建二硫化钼/二氧化钛异质结复合材料并将其应用于光辅助锂硫电池的正极:光生载流子分离是提高半导体光催化能力的关键,异质结构的构建是提高光吸收能力的有效措施。因此，本部分工作在透光碳布上设计并构建了二硫化钼/二氧化钛异质结复合材料，并将其应用于光增益锂硫电池的正极以提升电池的电化学性能。由于MoS2/TiO2异质结构具有良好的光捕获能力，并且能够实现光生电子和光生空穴的有效分离，降低光生载流子的复合率，因此产生的光生电子和光生空穴可以分别加速放电时的硫还原过程和充电时的硫析出过程，从而有效地提升整个充放电过程中的氧化还原反应动力学，最终达到提高电化学性能的目的。本课题的结果证实，与不加光条件相比，加光条件下的光辅助锂硫电池具有更低的充电电压和更高的放电电压，并且在电流密度为0.5C时，具有超过1400mAhg-1的高比容量以及循环充放电30次后仍可保持1000mAhg-1以上的可逆容量。此外，该电池还可以通过仅20h的单纯光充电过程来获得564mAhg-1的高比容量，约为理论比容量(1675mAhg-1)的33.7％,并且实现了1.7％的能量转换效率，这表明，本工作中的电池可以实现光能的转化与储存。 2.设计与构建二硫化钼/黑钛异质结复合材料并将其应用于光辅助锂硫电池的正极:半导体的能带结构与锂硫电池充放电电位的匹配性是促进电化学反应动力学的核心。因此，本工作通过硼氢化钠将二氧化钛前驱体在高温下还原成具有氧空位和低价钛的黑色二氧化钛(B-TO)，再将黑色二氧化钛与二硫化钼组成异质结构的光正极材料，使得该材料具有相较于MoS2/TiO2异质材料更靠近锂硫电池充放电电压窗口的价带和导带位置以及更窄的带隙，从而进一步降低了光生载流子转移的能垒;另外由于黑钛中的氧空位相当于电子转移中心，能够提供和接收自由电子，因此黑钛可以作为电子供体，增加MoS2的Mo4d轨道上的电荷，从而减弱Mo4d轨道上电子的不对称占据，提高MoS2的催化稳定性。因此，本工作所组装的电池与不加光条件下相比,加光条件下的极化现象更小且在电流密度为0.5C时，具有超过1600mAhg-1的高比容量以及循环充放电40次后仍可保持1000mAhg-1以上的可逆容量。此外，电池也能够通过20h的单纯光充电过程获得583mAhg-1的比容量，达到1.8％的能量转换效率。这表明，本工作中的电池获得了相较于第一个工作更好的容量性能、循环稳定性能以及光能的转化与储存能力。
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