摘要
锂硫电池具有高的能量密度以及理论比容量，因此倍受科研人员关注。但是，硫以及硫化锂不导电使得电化学反应动力学缓慢，硫和硫化锂的密度差异使得锂硫电池发生硫锂化膨胀而造成电极坍塌，以及在电化学反应过程中产生的中间产物长链多硫化锂溶解于电解液使得多硫化锂会穿过隔膜扩散到负极与负极锂发生反应等问题，造成锂硫电池差的循环稳定性以及倍率性能。本文中分别采用了构筑硫正极复合材料以及修饰锂硫电池隔膜两种工艺来对锂硫电池进行改性。在设计材料方面遵循两个原则：一是所设计的材料和多硫化锂具有强的相互作用，能够与硫元素键合；二是所设计的材料对多硫化锂具有催化转化作用，能够加快可溶多硫化锂的动力学转化反应。 1.采用自组装模板法制备了氮掺杂MXene，并将其用于构筑硫正极复合材料。所制备的氮掺杂多孔MXene的三维立体结构能够对多硫化锂进行物理限域作用，且MXene表面的Ti元素能够与多硫化锂进行化学吸附，氮元素的掺杂提高了材料的电化学反应性以及化学吸附能力，有效缓解了穿梭效应，改善了锂硫电池的倍率性能和循环稳定性。在0.1C电流密度下，氮掺杂MXene复合硫正极所组装的电池的初始比容量为1030mAhg-1。并且经过100次循环后，氮掺杂MXene复合硫正极电池的比容量仍为545mAhg-1。 2.MXene具有很好的包覆硫以及对多硫化锂物理限域的作用，但是对多硫化锂的化学吸附以及催化转化多硫化锂的能力较弱。过渡金属元素对多硫化锂表现出良好的化学吸附能力以及催化转化能力，因此，我们制备了镍钴铁三元氢氧化物复合MXene（NiCoFe-LDH@MXene）并将其用于隔膜的修饰。NiCoFe-LDH生长在MXene表面，避免了MXene的自堆叠与NiCoFe-LDH的团聚，MXene增强了材料的导电性的同时增大了材料的比表面积，暴露出更多的用于锚固多硫化锂的活性位点。Ni元素、Co元素可以通过键合作用对多硫化锂进行锚固，且Ni元素、Co元素以及Fe元素之间通过协同作用使得化学吸附能力得到加强，同时加快了多硫化锂转化为硫化锂的进程。NiCoFe-LDH@MXene隔膜所组装的电池在0.5C高倍率电流密度下的长循环测试中，电池的初始比容量为650mAhg-1。循环500次后，电池比容量仍可达597mAhg-1，每周循环衰减率为0.082%。 3.制备了钒掺杂磷化镍（V-Ni2P）并将其用于隔膜修饰，钒元素以及镍元素对多硫化锂具有化学吸附作用，并且磷化镍具有十分优异的催化活性，加快了多硫化锂的催化转化过程，有效抑制了多硫化锂的穿梭效应，加快了多硫化锂的转化进程、电子转移和锂离子扩散速度。V-Ni2P隔膜所组装的电池在1C高倍率电流密度下的长循环测试中，电池的初始比容量可达到946.8mAhg-1。循环1000次后，电池比容量仍可达到522.2mAhg-1，电池的循环衰减率为0.044%。
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