论文部分内容阅读
摘要：近年来,锂硫电池成为世界各国备受关注的新一代高能二次电池。在锂硫电池正极材料中,碳-硫复合材料是最有潜力的,并取得了很大的研究进展,但是仍存在一些问题,如中间产物在电解液中的溶解扩散,高倍率条件下电化学性能不理想,复合材料中硫含量低等。针对上述问题,本文在国家自然基金(51274240与51204209)的资助下,以锂硫电池碳-硫复合材料为研究对象,通过对碳载体的纳米杂化结构设计和氮掺杂改性研究,在一定程度上有效解决了这些问题。论文的主要内容和结论如下：(1)为解决多孔碳-硫复合材料中多硫化锂的溶解扩散问题,设计了由石墨烯(RGO)和介孔碳CMK-3两种碳材料构成的杂化纳米结构碳载体,并制备了复合材料RGO@CMK-3/S。包覆在CMK-3/S颗粒表面的RGO不仅能够进一步提高复合材料的导电性,而且能够起到物理阻隔的屏障和化学吸附的作用抑制或避免多硫化锂的扩散迁移。测试结果显示,0.5C倍率下,100次循环后,RGO@CMK-3/S仍能保持约734mAh·g-1的可逆比容量。(2)为改善碳-硫复合材料在高倍率下的电化学性能,设计了由RGO和多壁碳纳米管网(MWCNTs-W)构成的三维杂化纳米结构碳载体,并制备了复合材料RG0@MWCNTs-W/S。在高温条件下,多壁碳纳米管经过KOH的化学活化作用后,管壁表面变得粗糙并引入了一些含氧官能团,这些缺陷有利于单质硫在MWCNTs-W中的均匀分布。由于MWCNTs-W和RGO能提供快速的电子和Li+传输通道,因此RGO@MWCNTs-W/S能够适应快速的电化学反应过程,5C倍率下,200次循环后可逆比容量高达620mAh g-1。(3)采取化学还原法和高温热解法等方法制备了氮掺杂改性的多孔碳纤维(N-PCNF),随后制备了复合材料N-PCNF/S。氮掺杂不仅可以有效提高碳载体的导电性,而且还能在一定程度上改善碳载体对多硫化锂的吸附性能。测试结果表明,1C倍率下,200次循环后,含硫量为77.01wt%的N-PCNF/S依然表现出高达666.0mAh g-1的可逆比容量。因此,结合一维纳米结构和氮掺杂两方面优势对碳载体进行改性是另一种有效提高碳-硫复合材料电化学性能的途径。