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硫作为正极材料具有较高的放电比容量、低廉的价格,且环境友好,因而被视为下一代高能二次电池的备选正极材料。但是,由于单质硫在常温下是绝缘体,并且硫电极在充放电过程中产生的多硫化锂易溶于有机电解液中,造成活性物质的流失,从而导致循环性能较差。这些因素制约了锂硫电池的发展。本文利用聚吡咯包覆多层石墨烯的方法,制得具有良好导电网络的复合载体,利用其较高的导电性和对硫较强的吸附作用,通过热处理和气相酸化法分别与单质硫复合制备复合硫电极,以期提高硫电极的导电性和循环性能。
采用热处理的方法,将单质硫负载在聚吡咯包覆的多层石墨烯的表面,成功地制备出了不同硫含量的硫-聚吡咯-石墨烯多重复合材料。通过扫描电镜、透射电镜、X射线衍射等分析方法对样品的形貌、结构等进行了表征。利用恒电流充放电、循环伏安等电化学测试方法对材料的电化学性能进行了研究。结果显示,该方法制得的复合材料均具有良好的电化学循环性能,其中,硫含量为50wt%的复合材料表现出较高的放电比容量,在160mA/g下循环60周后,放电比容量仍能保持753.4mAh/g(以硫为基准计算)。
采用气相酸化法,将单质硫与聚吡咯包覆的多层石墨烯复合,制得硫-聚吡咯-石墨烯多重复合材料,其中硫的含量可调。电化学测试结果表明,采用气相酸化法制备的硫-聚吡咯-石墨烯多重复合材料具有放电比容量较高、循环性能良好等优点,其中含硫量为50%的复合材料放电比容量最高,在160mA/g的电流密度下循环50周后放电比容量仍保持787.2mAh/g。
在这种多重复合材料中,聚吡咯与多层石墨烯协同作用在为材料提供良好导电网络的同时,也能够有效地抑制多硫化物在有机电解液中的溶解,从而提高锂硫电池的放电比容量和循环性能。