以MXene架构的S@TiO2锂硫电池复合正极的性能研究

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近年来,随着便携式电子设备和电动汽车的快速发展,锂离子电池受其固有能量密度所限,越来越难以满足它们在能量方面上的需求。锂硫(Li-S)电池因为其理论比容量和能量密度都高达锂离子电池的5倍以上,被认为是最有发展前途的高能电源解决方案之一。另外,硫元素地壳储量丰富,价格低廉而且无毒,是较为理想的电极材料。然而,Li-S电池要想得到大规模的市场应用,必须要解决几个问题。其中最主要的就是硫正极的穿梭效应、体积膨胀以及较低的导电率等。本论文从锂硫电池硫正极的材料组成和结构出发,通过复合TiO2中空球、MXene-Ti2C、生物质碳等其中一种或两种材料,调整正极组分;采用特定的制备方法和工艺,调控材料结构,研究了一系列具有不同组成和结构的复合正极的电化学性能。利用TiO2中空球对硫的包覆,Ti2C层状结构对体积膨胀的缓冲,以及碳或Ti2C对导电性的改善,最终提出一种具有较为理想电化学性能的硫正极复合材料。具体研究内容主要包括如下5个方面:(1)采用水热法化学合成了间苯二酚-甲醛(RF)树脂微球,以RF树脂微球为模板,通过原位沉淀和高温煅烧得到了 TiO2中空球。以TiO2中空球为载体与升华硫利用熔融灌硫法,制备S@TiO2中空球复合正极材料。这种复合材料的首次放电容量最高为1325.5 mAh g-1,在0.2C放电倍率下循环100圈后的放电比容量为675.2 mAh g-1。(2)以MXene为原材料,采用HF酸刻蚀的方式得到层状化合物Ti2C材料,通过熔融法制备Ti2C/S材料,通过测量Ti2C/S复合电极的电化学性能得知,Ti2C/S复合正极在0.2C放电倍率下循环300圈后的放电比容量为258.9 mAh g-1,其电化学阻抗谱得到的电池阻抗明显低于S@TiO2复合电极。(3)以海带作为生物质碳源通过强碱腐蚀获得多孔碳材料,利用多孔碳负载硫制备C/S复合正极材料。采用不同碱溶液浓度对碳材料进行刻蚀,分析碳基体结构对C/S复合电极的影响,通过测量并分析不同刻蚀程度的碳基体载硫后的电化学性能得知,碳材料和KOH在质量比为1:1下制备得到的碳基体电化学性能最优,其在0.2C倍率下的循环100圈后的放电比容量为662.9mAh g-1。(4)利用制备所得的TiO2中空球、碳材料与硫单质进行复合,形成S@TiO2/C复合材料。通过包裹硫单质的方式缓解正极活性物质充放电的体积膨胀问题,以碳材料为基体增强硫正极的导电性。本文测试研究了不同硫占比下S@TiO2/C复合电极的电化学性能,其中硫占比为60%的S@TiO2/C复合材料展现出良好的电化学性能,其在放电倍率为0.5C的情况下循环400圈后,放电比容量仍可达到303.8 mAh g-1。(5)本文提出一种全新的S@TiO2/Ti2C三元复合结构来改善锂硫电池正极存在的问题。通过TiO2的中空球结构为硫正极在充放电过程中的体积变化提供空间,选用的层状化合物Ti2C有着良好的导电性,其层间空隙也能进一步降低体积膨胀的影响,同时TiO2和Ti2C材料对多硫离子的吸附作用可以有效抑制充放电过程中的穿梭效应。S@TiO2/Ti2C复合电极在高达2C和5C的放电倍率下循环200圈后的容量分别是464.0 mAh g-1和227.3 mAh g-1,在高电流密度下仍能保持良好的循环稳定性。通过本文的研究,TiO2中空球包覆硫并嵌入到Ti2C层间距所形成的S@TiO2/Ti2C复合材料,作为锂硫电池的正极,具有良好的循环稳定性,尤其是在较大的充放电电流下表现优异,这为锂硫电池正极材料的发展提供了一种思路。
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