硫基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)制備及其在鋰硫電池中的應(yīng)用研究.pdf

1、鋰硫電池能夠提供最高的重量能量密度(2500Wh kg-1)或體積能量密度(2800Wh L-1)，是很有前途的新型電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)。然而，硫正極的充放電庫(kù)侖效率低，循環(huán)穩(wěn)定性差，不能滿(mǎn)足商業(yè)化需求。因此，制備具有高性能的正極材料是鋰硫電池研究的一個(gè)關(guān)鍵課題。本論文采用中空多孔二氧化硅納米帶、三維二氧化硅氣凝膠和三維石墨烯氣凝膠為復(fù)合載體，通過(guò)高溫氣相滲硫法或室溫原位添加升華硫的方法，設(shè)計(jì)制備了三種硫基復(fù)合正極材料。這些硫基復(fù)合正極材料均

2、表現(xiàn)出良好的電化學(xué)儲(chǔ)鋰性能。本論文的主要工作如下:
　　(1)以CuO納米帶為模板，通過(guò)正硅酸四乙酯(TEOS)的水解縮聚過(guò)程及隨后的去模板過(guò)程，制備出中空多孔SiO2納米帶。再通過(guò)熔融擴(kuò)散滲硫法合成了中空多孔二氧化硅納米帶載硫復(fù)合材料。中空多孔二氧化硅納米帶既作為硫的載體，又作為充放電過(guò)程中多硫化物的高效固定物，因此，該復(fù)合材料作為正極材料顯示出良好的循環(huán)穩(wěn)定性和極好的充放電庫(kù)倫效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在0.1C的電流密度下，硫含量

3、為50wt％的中空多孔二氧化硅納米帶/S復(fù)合物的首次放電容量為679mAh g-1，經(jīng)過(guò)70次充放電循環(huán)后，放電容量為534mAh g-1，平均每次充放電循環(huán)的容量損失僅為0.31％，庫(kù)倫效率接近100％。
　　(2)利用正硅酸四乙酯(TEOS)作為硅源，升華硫作為硫源，通過(guò)溶膠-凝膠法，通過(guò)正硅酸四乙酯的水解縮聚，原位合成了均勻含有二氧化硅和硫的水凝膠，再經(jīng)冷凍干燥獲得三維二氧化硅氣凝膠載硫復(fù)合材料(SASH)。該法將升華硫均勻

4、地固定到二氧化硅氣凝膠中，避免了傳統(tǒng)的高溫滲硫過(guò)程，具有顯著的節(jié)能減排特征。三維多孔二氧化硅氣凝膠基質(zhì)兼具物理吸附和化學(xué)吸附可溶的多硫化物的雙重功能，因此，所合成的復(fù)合材料用作鋰硫電池的正極材料表現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在0.1C的電流密度下，三維二氧化硅氣凝膠載硫復(fù)合材料的首次放電容量為762mAh g-1，循環(huán)110次后，仍顯示出較高的可逆容量(600mA h g-1)，平均每次充放電循環(huán)的容量損失僅為0.20％，庫(kù)倫效

5、率接近100％。
　　(3)以升華硫作為硫源，通過(guò)氧化石墨烯(GO)和殼聚糖(CS)之間的靜電吸引以及氫鍵作用，原位合成了氧化石墨烯載硫水凝膠。后經(jīng)水合肼還原，冷凍干燥，最終制備出三維石墨烯氣凝膠載硫復(fù)合材料。三維石墨烯網(wǎng)絡(luò)兼具硫的載體和導(dǎo)電骨架雙重功能，因此，三維石墨烯氣凝膠載硫復(fù)合材料作為鋰硫電池的正極材料表現(xiàn)出優(yōu)越的循環(huán)穩(wěn)定性和較好的倍率特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在0.1C的電流密度下，三維石墨烯氣凝膠載硫復(fù)合材料的首圈放電容量為