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硫作为锂硫二次电池的正极材料,理论比容量可以达到1675mAh/g,理论比能量可达2600Wh/Kg,还具有质量轻,储量丰富,环境友好等优势,在传统的锂电池材料中脱颖而出。但是硫的实际应用也存在众多障碍:单质硫的电子和离子绝缘性,使电化学反应难以进行;在充放电反应过程中,生成的复杂中间产物多硫化物(Li2Sx,4≤x≤8),溶解在电解液中并向负极锂扩散,与锂负极反应生成不导电的最终产物Li2S,造成了锂负极的腐蚀和硫的严重损失,这是硫电极中较难克服的困难。为了克服以上困难,本论文着重对硫复合正极材料进行了研究,以提高锂硫二次电池的放电容量及循环稳定性。
首先,合成制备出了纳米氧化物LaNiO3,然后与硫单质进行球磨得到了新型S/LaNiO3复合材料,并对其进行了结构分析和电化学测试,结果表明,纳米复合氧化物能够提高硫电极的导电性并能吸附中间产物多硫化物,与单质硫相比,有效地提高硫正极的放电容量和循环性能。
其次,由于纳米氧化物的吸附作用和导电能力有限,所以本论文接下来利用聚苯乙烯的付克反应得到了孔径分布较广的多孔碳材料,并经过浓硝酸活化,然后通过热处理的方法与硫复合得到了硫碳复合材料。经过对复合材料的结构和电化学测试,结果显示,初始放电容量为1580mAh/g,循环50周后,容量可保持在560.5mAh/g。其电化学性能要远好于S/LaNiO3复合材料,但是由于多孔碳的孔径比较大,大量电解液容易进入孔内使多硫化物溶解和扩散到孔外,造成了硫的流失,导致了容量较快的衰减。
最后,为了克服较大尺寸孔的弊端,本论文以酚醛树脂为碳源用硬模板法制备得到了孔尺寸在0.6~1.1nm范围的微孔碳,并经过两步热处理方法使硫融入进碳的微孔中,得到了不同硫含量的硫微孔碳复合材料。在40mA/g的电流密度下,含硫为26.0wt%的复合材料首次容量可达到1616.9mAh/g,达到了硫的理论容量的96.4%,经过80周循环,容量仍可保持在1175.0mAh/g。由于硫在微孔内以极小的颗粒甚至是分子形式存在,而且小的孔尺寸仅能允许电解液分子和离子的进入,所以微孔碳不仅提供了一个导电框架,而且可以作为反应容器,有效地抑制了多硫化物在电解液中的溶解和扩散,大大提高了锂硫电池的放电容量和循环稳定性能。继续提高硫的负载量,进而提高锂硫电池的能量密度,仍将是以后工作努力的方向,这对锂硫电池的实际应用有重要的理论意义。