【摘 要】
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锂硫电池因具有高理论比容量（硫正极1675mAh/g）、正极硫价格低廉和环境友好等优点受到研究者的广泛关注。然而,锂硫电池商业化道路上仍面临诸多问题和挑战,其中放电中间产物多硫化锂的“穿梭效应”和充放电过程中反应动力学迟缓的问题尤为严重。针对以上问题,本文通过纳米化和复合化策略,构筑了三种具有不同结构硼化钴复合材料并应用在锂硫电池中。借助多种表征测试方法并结合理论计算对电池性能提升的机制进行深入研
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锂硫电池因具有高理论比容量（硫正极1675mAh/g）、正极硫价格低廉和环境友好等优点受到研究者的广泛关注。然而,锂硫电池商业化道路上仍面临诸多问题和挑战,其中放电中间产物多硫化锂的“穿梭效应”和充放电过程中反应动力学迟缓的问题尤为严重。针对以上问题,本文通过纳米化和复合化策略,构筑了三种具有不同结构硼化钴复合材料并应用在锂硫电池中。借助多种表征测试方法并结合理论计算对电池性能提升的机制进行深入研究。首先,采用化学还原沉淀法制备Co2B@rGO复合材料,理论计算证实Co2B与多硫化物之间,不仅可形成Co-S键,而且Co2B中B的p-空轨道可以接纳多硫离子中的电子形成B-S键,进而抑制多硫化物“穿梭效应”。钴和硼对多硫化物的共吸附效应,使Co2B对多硫化物具有优异的吸附能力和吸附容量,其对多硫化物的吸附容量高达11.67mg/m2,是传统极性吸附材料的两倍以上。在0.1C倍率下,Co2B@rGO/S电极的首次放电比容量为1487mAh/g。在1 C倍率下,经过450次充放电循环后,Co2B@rGO/S电极的放电比容量仍保持在870mAh/g左右,平均每圈容量衰减率为0.029%。其次,基于上述化学还原沉淀法,合成了Co2B@MXene复合材料。经过实验和理论计算研究发现,在Co2B与MXene在界面处会形成Co-Ti键,并且由于Co2B与MXene两者之间具有不同的费米能级而导致界面处的电子转移现象。这一过程会引起硼化钴的电子云密度降低,使吸附在硼化钴表面的多硫化物中的S-S键更容易断裂,进一步加速多硫化物的转化动力学。得益于Co2B@MXene优异的吸附催化能力,Co2B@MXene修饰隔膜的电池在0.1C倍率下,首次放电容量为1577m Ah/g,并且在硫面密度为5.1mg/cm2,0.2 C倍率下,其面容量高达5.5mAh/cm2。最后,通过MOF模板法制备Co2B@CNT复合材料。钴和硼与多硫化物的共吸附效应可以有效地将多硫化物锚定在隔膜正极一侧,减缓多硫化物的“穿梭”。CNT的引入可以提高电子电导率、促进电子的传输,降低电池内阻并提高活性物质利用率。Co2B@CNT修饰的PP隔膜大幅提高隔膜与电解液的浸润性,Co2B@CNT修饰隔膜与电解液的接触角仅为5.2°。此外,Co2B@CNT修饰隔膜的锂离子迁移数为0.93、离子电导率为0.467mScm-1,均高于未修饰的PP隔膜。在0.1C倍率下,Co2B@CNT修饰隔膜的电池,其首次放比电容量高达1650mAh/g,并且在5 C倍率下,经过3000次充放电循环测试,放电比容量仍保持在946mAh/g以上,并且其平均每圈容量衰减率为0.0072%。
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