介孔聚吡咯的制备及其在锂硫电池中的应用

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单质硫固有的电子/离子绝缘性,循环过程中巨大的体积膨胀,以及由可溶性多硫化锂中间体(Li2Sn,4≤n≤8)引起的“穿梭效应”等问题阻碍了锂硫电池的商业化发展。聚吡咯材料具有较高的电子/离子导电性、良好的化学稳定性等优点,并且能有效抑制多硫化物在放电/充电过程的扩散,因此,在锂硫电池领域中有较大发展潜力。为改善硫-聚吡咯复合正极的电化学性能,本文使用硬模板法制备三维介孔聚吡咯材料,另使用双模板法制备一维介孔聚吡咯材料。将两种介孔聚吡咯材料分别与单质硫混合制备硫-聚吡咯复合材料并组装锂硫电池测试性能,研究不同形貌和不同硫含量的复合正极材料对锂硫电池电化学性能的影响。主要研究内容如下:(1)以二氧化硅纳米球为硬模板制备三维介孔聚吡咯材料和硫-三维介孔聚吡咯复合材料,探讨不同二氧化硅模板对复合材料形貌和电化学性能的影响。研究结果表明:阵列粒径均一的二氧化硅纳米球得到的模板可制备出三维有序介孔聚吡咯材料,使用粒径不均一的二氧化硅纳米球作为模板制备得到普通形貌的三维介孔聚吡咯材料。将制备的聚吡咯材料与单质硫混合制备硫-聚吡咯复合材料,以硫-三维有序介孔聚吡咯复合材料作为正极材料制备的锂硫电池表现出优异的电化学性能。在0.1C的放电倍率下,100次循环后其放电比容量可达936m Ah g-1。(2)探讨了硫含量对硫-三维有序介孔聚吡咯复合材料制备的锂硫电池电化学性能的影响。研究表明:随着S-3DOMPPy复合材料中单质硫含量的增高,复合正极的循环容量逐渐降低,L-S-3DOMPPy复合正极经过100次循环后保持最高的放电容量(936m Ah g-1)。(3)引入多孔阳极氧化铝与二氧化硅纳米球组合为双模板制备一维介孔聚吡咯材料及硫-一维介孔聚吡咯复合材料,探讨使用不同浓度的二氧化硅纳米球溶胶对一维介孔聚吡咯材料形貌和锂硫电池电化学性能的影响。研究结果表明:使用高浓度的二氧化硅纳米球溶胶成功制备出一维有序介孔聚吡咯纳米线材料,使用低浓度的二氧化硅纳米球溶胶成功制备出一维介孔聚吡咯纳米管材料。将聚吡咯材料与单质硫混合作为正极材料制备锂硫电池并测试性能,以硫-一维有序介孔聚吡咯纳米线复合材料作为正极材料制备的锂硫电池表现出优异的电化学性能:在0.1C的放电倍率下,100次循环后其放电比容量保持为1014m Ah g-1
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