【摘 要】
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锂硫电池的理论容量高达1675 mAhg-1,且硫资源丰富、环境友好,是理想的储能正极材料。但是,固态硫/硫化锂缓慢的正极动力学反应和可溶性多硫化锂（Li PSs）的穿梭效应导致锂硫电池的库伦效率低和循环稳定性差。过渡金属氧化物/氮化物/硫化物与多孔碳材料复合可以缓解上述问题。但这些复合材料制备过程复杂。同时,Li PSs吸附材料价格昂贵且不可再生,不利于锂硫电池工业化应用。针对此问题,本论文利用
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锂硫电池的理论容量高达1675 mAhg-1,且硫资源丰富、环境友好,是理想的储能正极材料。但是,固态硫/硫化锂缓慢的正极动力学反应和可溶性多硫化锂（Li PSs）的穿梭效应导致锂硫电池的库伦效率低和循环稳定性差。过渡金属氧化物/氮化物/硫化物与多孔碳材料复合可以缓解上述问题。但这些复合材料制备过程复杂。同时,Li PSs吸附材料价格昂贵且不可再生,不利于锂硫电池工业化应用。针对此问题,本论文利用可再生、资源丰富且廉价的生物质材料制备了隔膜修饰层来抑制Li PSs穿梭效应、提高电池性能,并对生物质材料内极性含氧官能团（-OH、C=O、-COOH和-O-）的Li PSs吸附和催化转化性能进行了DFT理论分析,本论文的研究对利用生物质材料设计锂硫电池隔膜修饰材料具有一定的借鉴意义。首先使用黄原胶和魔芋胶凝胶天然多糖体系与碳纳米管（CNT）复合构建凝胶体系（Biomass Gel）,并通过冷冻干燥过程制备了CNT-Biomass Gel修饰层材料。天然多糖与CNT之间的相互缠绕网络结构可以增加CNT的长程导电性,并形成的三维导电网络结构加速Li+和电子的传输,缓解电池极化。同时,天然多糖含氧极性官能团均匀分散在CNT导电三维骨架上并充分暴露。充放电过程中,官能团与Li PSs的强相互作用有效抑制了Li PSs穿梭效应,且促进了硫到硫化锂转化过程。得益于CNT导电网络及含氧极性官能团的吸附和催化协同作用,以CNT-Biomass Gel为隔膜修饰层的锂硫电池在0.2 C时可获得998 mAhg-1的高初始容量,在0.5 C时200次循环后,电池容量仍保持643 mAhg-1,平均每圈仅衰减0.078%。在3.0 mg cm-2的高硫负荷下,循环150次后仍具有约602 mAhg-1的高比容量。为了进一步提升修饰层材料的催化性能,同时降低CNT用量,在凝胶体系中引入无机盐,利用凝胶丰富的极性官能团分散金属离子催化活性位点,制备了含有不同金属离子的(Ni2+、Mn2+、Co2+和Cu2+)凝胶体系,拓展了凝胶的应用范围。并将凝胶碳化作为导电载体替代CNT,以含镍凝胶体系（Ni@C）为例,研究了修饰层材料对电池储能容量和循环性能的影响。结果表明,Ni@C修饰层材料具有丰富的孔道结构,能够为多硫化物提供充足的储存空间,同时Ni金属能够有效催化转化多硫化物。以Ni@C为修饰层的锂硫电池在0.2 C电流密度下初始容量为1046 mAhg-1,比CNT-Biomass Gel修饰层相比也提升47.8 mAhg-1,循环100圈后仍能维持在839 mAhg-1,平均每圈衰减0.197%,较Biomass Gel修饰层提升39.39%,同时比CNT-Biomass Gel修饰层相比也提升12.9 mAhg-1。在0.5 C电流密度下,Ni@C隔膜修饰层电池初始比容量达到929 mAhg-1,比CNT-Biomass Gel修饰层提升20.7%。
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