锂硫电池高容量三元正极材料的制备及电化学性能研究

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能源危机和环境污染问题的加剧极大地促进了人们对新型能源和储能系统的探索与研究。过去的几十年里,锂离子电池由于其较高的能量密度、较为优异的循环特性等优势成为人们的首选。然而随着社会的快速发展以及对储能系统要求的不断提升,锂离子电池的大规模应用不断受到限制。因此寻求能量密度更高,循环稳定性更好的电储能系统成为全世界共同关注的焦点。其中一种更轻质的硫元素由于其储存丰富,成本较低,环境友好等优点逐渐进入研究者的视角。但是由于在实际应用中表现出来的导电性能较差,穿梭效应,活性物质利用率低等问题,表明了对于锂硫电池的研究还有很长的路要走。为了提升锂硫电池的电化学性能,本文主要围绕碳材料及导电聚合物对正极材料的改性开展了研究工作。(1)本文采用人工合成的方法制备了纳米级单质硫颗粒,在复合材料中展现了良好的分散性。同时选取了商品化的乙炔黑(AB)作为碳源和储硫基底,通过原位沉淀的方法合成得到AB/S二元复合材料。由电化学性能测试可以明显观察到乙炔黑的添加可以改善纯硫电极的电化学性能。为了进一步改善其循环稳定性,通过化学氧化聚合的方法引入导电聚合物聚吡咯(PPy)包覆层,得到AB/S/PPy三元复合材料。电化学测试结果表明,AB/S/PPy复合正极材料展现出最优的性能,在200 mA g-1的电流密度下进行测试时,其第一圈放电比容量为1090.3 mAh g-1,经过100次循环后仍保留577.4 mAh g-1的放电比容量。(2)选用导电聚合物聚吡咯作为主要研究对象,分别合成了管状和颗粒状两种形貌的聚吡咯。首先,通过自降解模板法合成具有管状形貌的聚吡咯,随后通过900℃高温煅烧的方法得到管状无定形碳(TAC)。利用管状无定形碳作为纳米硫颗粒的附着基底,可以得到硫均匀分散的TAC@S复合材料。其次,由原位化学氧化聚合反应生成颗粒状聚吡咯作为上述材料的包覆层得到TAC@S@PPy复合材料。最后,在155℃进行了一步热处理,使硫元素在导电基底和包覆层中得到了更好的分散。因此TAC@S@PPy复合材料作为锂硫电池的正极材料具有优异的电化学循环性能和稳定性。在335 mA g-1的电流密度测试下,TAC@S@PPy电极材料展示了1111 mAh g-1的首圈放电比容量,在100次循环之后,容量仍然保持在731 mAh g-1。同时也展现了较为优异的倍率性能,即在2000 mA g-1较高的电流密度下进行测试时,也仍然具有620 mAh g-1的放电比容量。(3)此外,我们对合成得到的不同的电极材料分别进行了紫外可见光谱测试和吸附实验,其主要目的是模拟电极材料在充放电过程对多硫化物的吸附作用,从而进一步确定该电极材料的电化学性能。对实验结果分析可知:与纯相相比,二元材料中碳材料(AB、TAC)的加入,为硫提供了附着位点,对多硫化物的溶解起到一定的抑制作用;与二元材料相比,三元材料中聚吡咯包覆层的出现,为多硫化物提供了更强的吸附作用,并提供了存贮空间,更大程度上抑制了多硫化物的溶解。
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