【摘 要】
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柔性可穿戴电子产品的迅速发展加大了人们对高性能柔性储能设备的需求。因此,开发轻薄、柔性良好、能量密度高、循环稳定的柔性电池显得尤为重要。锂硫电池属于新一代二次电池储能技术,具有极高的理论比容量(硫:1675 mAh g-1;锂:3860 mAh g-1),且其质量密度也非常低(硫:2.07 g cm-3;锂:0.534 g cm-3),在柔性可穿戴能源储存领域有着广阔的应用前景。然而,目前锂硫电池
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柔性可穿戴电子产品的迅速发展加大了人们对高性能柔性储能设备的需求。因此,开发轻薄、柔性良好、能量密度高、循环稳定的柔性电池显得尤为重要。锂硫电池属于新一代二次电池储能技术,具有极高的理论比容量(硫:1675 mAh g-1;锂:3860 mAh g-1),且其质量密度也非常低(硫:2.07 g cm-3;锂:0.534 g cm-3),在柔性可穿戴能源储存领域有着广阔的应用前景。然而,目前锂硫电池仍面临着严峻的多硫化物穿梭效应、巨大的电极体积膨胀、绝缘硫化锂的随机沉积以及锂金属负极的枝晶生长等问题,导致电池的库伦效率与循环稳定性不佳。除此之外,锂硫电池柔性较差,在各种弯折、卷曲等机械形变过程中,硫正极容易发生活性物质的脱落,而锂金属负极则容易发生疲劳断裂。因此,要得到高性能柔性锂硫全电池,必须既要提高硫正极和锂金属负极的循环稳定性,又要改善它们的柔性。针对以上问题,本文制备了一种对多硫化物和锂金属都具有良好亲和性的氮氧共掺杂碳织物(NOCF),将其分别作为硫正极和锂金属负极的集流体,并且在硫正极中引入天然水溶性丝胶蛋白(SP)作为粘结剂,得到了柔性优异且循环性能良好的硫正极(SP/S/NOCF)与复合锂金属负极(Li/NOCF)。其中由SP/S/NOCF硫正极与锂片组成的锂硫半电池,在硫负载为6 mg cm-2时,面容量可达5.4 mAh cm-2,循环100次后,容量的保持率在85%以上。Li/NOCF复合负极在电流密度为1 mA cm-2、锂沉积量为6 mAh cm-2的条件下进行100次循环,平均库伦效率高达99.0%;其对称电池在1 mA cm-2的电流密度下,可稳定循环1200 h以上,且当电流增大至2 mA cm-2时,依然可以维持500h以上的稳定循环。将SP/S/NOCF硫正极与Li/NOCF锂负极匹配得到的扣式锂硫全电池,其电芯(正极+负极+隔膜)的能量密度高达694.1 Wh kg-1(510.8 Wh L-1)。最终制得的柔性锂硫全电池(SP/S/NOCF//Li/NOCF)在5 mm的曲率半径下弯折6000次,依然能够维持150次以上的稳定循环,并且在原位动态弯折的情况下(r=5 mm,总共弯折2200次),也可以正常地进行充放电。本文采用SEM、TEM、XPS、XRD、BET、拉曼等表征手段对NOCF的形貌结构以及元素掺杂状态进行了分析,并通过恒流充放电、恒压放电等实验探索了NOCF吸附多硫化物以及抑制锂枝晶的机理。除此之外,本文还通过一系列柔性弯折测试,验证了该柔性锂硫全电池的实用性。文中NOCF的氮氧双掺杂结构使其同时对多硫化物和锂金属具有良好的亲和性,能够抑制多硫化物的“穿梭效应”以及锂枝晶的生长,为将来设计高性能超柔软锂硫电池提供了一定的理论基础与借鉴意义。
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