摘要
随着新能源汽车、储能行业的飞速发展，对于高能量密度的储能器件的需求也越来越大。锂硫电池作为一种具有高理论比容量(约2600Whkg-1)的新型能源储存系统，受到了人们的广泛关注。对于锂硫电池中存在的硫正极导电性差、“穿梭效应”以及反应动力学缓慢等问题。通过合理设计硫正极的载体材料，可以有效提高锂硫电池性能。 本论文设计制备了三类钒基化合物/碳空心球复合材料作为锂硫电池的正极载体材料。碳空心球材料优良的导电性能够改善硫正极的低电导率，空心材料能够在从结构角度对穿梭效应起到一定的改善作用。钒基化合物与多硫化物之间的强相互作用，加快了多硫化锂之间的转化。不同类似的钒基化合物对多硫化物转化促进作用的机理也不完全一致。论文分别进行了以下的研究： (1)利用浸渍法，制备出V2O3均匀分布的碳空心球材料V2O3/C-HS。这种材料既可以利用碳材料优良的电导率来解决硫正极的导电性问题，改善锂硫电池中的穿梭效应。均匀分布在碳空心球中的V2O3，一方面加快了可溶性硫化锂向固体硫化锂的转化，减缓了穿梭效应，另一方面加快了电池反应的进行，提高了电池容量和硫单质的利用率。在电池循环测试中，首次放电比容量达到1153.4mAhg-1，在0.2C下循环200次后，电池容量保持在380.8mAhg-1。在0.2C、0.5C、1C、2C的不同电流密度下，电池容量分别为594mAhg-1、609mAhg-1、487mAhg-1、456mAhg-1，回到0.2C时，电池的容量也会恢复。在2C的大电流密度下，库伦效率始终保持在98%，在400次循环后，电池可逆容量为251mAhg-1。 (2)通过模板法制备了均匀分散的钒酸钴Co3V2O8复合碳空心球材料CoVO/C-HS，应用于高倍率、长循环寿命的锂硫电池。在制备过程中使Co3V2O8前驱体的合成与酚醛树脂缩聚反应同时进行，能够使Co、V双金属氧化物均匀的分布在碳空心球结构中，有利于材料性能的均一。相比于单独的C-HS材料，CoVO的加入显著增加了C-HS对LIPSs的锚固和催化作用。通过我们的电化学研究，CoVO/C-HS@S相比于C-HS@S表现出更小的极化现象和界面反应阻抗。CoVO/C-HS@S初始比容量1237.2mAhg-1，在循环100次后剩余603mAhg-1。2C大电流密度下初始比容量880mAhg-1，100次循环后剩余477mAhg-1，优于C-HS。 (3)在第四章实验的基础上，在酚醛树脂碳化阶段引入氮源，制备出均匀负载Co掺杂VN的碳空心球材料。杂原子氮的加入，丰富了材料的活性位点，能够更好的催化锂硫电池中的多硫化物转化，改善了锂硫电池缓慢的动力学和穿梭效应，CoVN/C-HS@S正极在0.1C、0.2C、0.5C、1C和2C的电流密度下，电池比容量分别为1374mAhg-1、918mAhg-1、817mAhg-1、764mAhg-1和691mAhg-1。0.2C下循环100次后容量保持在1067mAhg-1。表现出优异的循环稳定性。
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