磷掺杂碳在硫、硒基电池中的研究

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随着能源需求量的增加,人们对环境保护意识的提高,低能量密度的铅酸电池以及传统锂离子电池已不能满足人类的需求。因此,急需研究和开发新的高能量存储体系。由于硫的高理论比容量以及硒的高导电率,硫、硒基锂二次电池脱颖而出。但是无论是锂硫电池、锂硒电池还是硫化硒电池在充放电过程中都会面临体积膨胀和充放电过程中多硫/硒化锂溶解在电解液中的“穿梭效应”带来的容量衰减快、库仑效率低等问题。本研究首先将制备的磷掺杂多孔碳(P-C)作为硫和硒的载体应用于正极改性,并在普通隔膜表面涂覆P-C,制备P-C涂层隔膜组装电池。从正极和隔膜两个方面开展研究,利用正极、涂层以及隔膜的三明治结构对多硫/硒化物在穿过隔膜前进行拦截达到二次利用的目的,从而提高活性物质的利用率和电池的电化学性能,主要研究内容包括:(1)通过加热熔融的方法使升华硫灌入磷掺杂多孔碳的孔隙,制备P-C/S正极材料,同时使用P-C涂层隔膜组装锂硫电池。多孔结构既可以作为硫的导电骨架,还可以限制多硫化物中间体的穿梭,磷掺杂多孔碳与多硫化物之间存在物理吸附和化学键合作用,不仅可以有效抑制“穿梭效应”,还可提高活性物质利用率。在0.1 C倍率下首次放电比容量达到1430 mAh g-1,在5 C高倍率下比容量还可以保持在650 mAh g-1,在1 C倍率下500圈循环后,比容量保持在510 mAh g-1,容量衰减率为0.09%。(2)将磷掺杂多孔碳用于负载Se,制得P-C/Se复合材料作为锂硒电池的正极材料。对比与普通隔膜、Super P涂层隔膜和P-C涂层隔膜组装的锂硒电池的电化学性能,结果表明P-C涂层隔膜可以有效地提高电池的循环可逆容量和循环稳定性,在0.2 C倍率下首次放电比容量达到580 m Ah g-1,在5 C高倍率下比容量还可以保持在220 mAh g-1,1 C循环300圈后放电比容量仍可以保持310 mAh g-1,容量衰减率仅为0.06%。(3)在室温水溶液中合成纳米二硫化硒,并在冰浴的条件下包覆聚噻吩,最后利用聚噻吩和氧化石墨烯上官能团的相互作用,制备得到SeS2@PEDOT/GO双层包覆结构的复合材料。此复合电极材料的电化学性能相比于SeS2和SeS2@PEDOT电极材料有很大的提高,同时将P-C涂层隔膜应用到二硫化硒电池中,电池表现出更为稳定的循环性能和倍率性能。在100 mA g-1电流密度下初始放电比容量可高达1030 m Ah g-1,循环100圈后比容量还可以保持在700 mAh g-1,容量保持率为68%,且电池从大电流密度放电再回到小电流密度,容量保持率为92%,充放电过程中库伦效率基本维持在100%左右。
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