论文部分内容阅读
基于元素硫和锂金属之间氧化还原反应的锂硫（Li-S）电池因其固有的高理论比能量密度(约为2600 Wh kg-1)而在能量储存领域引起了研究者极大的关注。然而,尽管具有环境友好、资源丰富以及成本低廉等优势,但是Li-S电池的实用化进程仍极大地受限于硫正极本身的一些实际问题,包括容量衰减较快、倍率性能差和实际能量密度低等。针对这些不足,本论文从硫和固体放电产物的电绝缘性、中间产物溶解扩散易发生穿梭效应、充放电循环过程体积膨胀等核心问题出发,围绕结构设计和化学调控中心思想进而构建新型硫正极材料,实现Li-S电池电化学性能的综合提升。主要研究内容和结果概括如下:（1）通过将二维Ti3C2Tx MXene纳米片组装成薄膜,经过水热诱导的发泡过程,制得了自支撑的Ti3C2Tx泡沫并用作新型载硫基质材料。自支撑的Ti3C2Tx泡沫结构有效地避免Ti3C2Tx片的重堆积,不仅可以增大Ti3C2Tx的比表面积和孔体积,还显著增强了Ti3C2Tx片固有路易斯酸性位点的暴露。因此,充分利用了Ti3C2Tx片自我功能化表面的优势,从而有效地增强了在高硫含量（71.1 wt%）下对多硫化物的物理和化学共吸附能力。结合良好的电解液润湿性以及突出的结构稳定性等优势,所得自支撑Ti3C2Tx泡沫/硫正极获得了较高的初始比容量以及优异的倍率性能。值得注意的是,无导电剂、无粘结剂、无集流体的自支撑结构赋予了其显著提高的能量密度,在0.2 C时达到了1297.8 Wh kg-1,比非自支撑的Ti3C2Tx/S正极提高了246.4%。（2）通过在二维Ti3C2Tx MXene纳米片上原位自组装双金属沸石咪唑酯骨架（Co/Zn-ZIF）,以及后续的碳化和刻蚀处理,开发了一种MXene基Co、N共掺杂多孔碳纳米片（MCoNPCNSs）硫载体材料。表征及测试结果表明,所制备的MCoNPCNSs具有较大的比表面积(726.6 m2 g-1)和孔体积(1.6 cm3 g-1),为硫填充和缓解正极体积膨胀提供了足够的空间。此外,引入的Co、N共掺杂协同作用不仅强化了MCoNPCNSs对多硫化物的吸附能力,还显著促进了正极的氧化还原反应动力学。将MCoNPCNSs/S复合材料涂覆至经MXene纳米片修饰的隔膜（M-PP）上,成功得到了一种正极、隔膜一体化的MCoNPCNSs/S-M-PP电极结构。此设计进一步抑制了多硫化物的穿梭效应,有效提升了电池性能:在0.2 C的电流密度下,实现了高达1340.2 mAh g-1的初始放电比容量。此外,得益于一体化的结构设计,还获得了显著提高的能量密度。