沸石基锂硫电池正极材料的制备及其电化学性能研究

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锂硫电池被认为是最有发展前景的二次电池体系,相比于传统的二次电池,锂硫电池在理论比容量和理论能量密度上有明显优势,分别达到1675 mAh/g,2600 Wh/kg,这使得锂硫电池成为目前人们研究的热点。目前锂硫电池主要面临以下几个问题:首先是电池反应过程中多硫化物的溶解和迁移,其次是硫正极反应前后的巨大体积形变。现有的研究中,人们常采用具有强吸附能力和发达孔隙的碳材料来缓解上述问题。沸石是一种具有强吸附能力的天然矿物,常被用作化工生产中硫化物的吸附剂,对硫(S)有着很好的亲和性,同时沸石本身的强吸附能力和发达孔隙能有效减少多硫化物的溶解和迁移。本论文中,主要制备了天然沸石/S、改性沸石/S和13X沸石分子筛/S复合材料,并采用X射线衍射、扫描电镜和比表面分析仪对复合材料进行结构形貌表征分析,通过充放电性能测试、循环伏安特性和交流阻抗对复合材料进行电化学性能分析。本论文首先验证了天然沸石作为单质硫载体的可行性,通过预处理对沸石进行除杂。然后通过加热熔融法制备了含硫40%的天然沸石/S复合材料,以0.2 C大小的电流密度对复合材料进行充放电性能测试,首次放电比容量为950.6mAh/g,100次循环后对应的放电比容量为583.6 mAh/g,容量保持率为61.3%。由于天然沸石的比表面积较小,本论文通过酸洗、盐洗改性沸石,扩宽其孔隙大小、提高吸附能力。加热熔融法制备含硫40%、50%和60%的天然沸石/S、酸洗改性沸石/S、盐洗改性沸石/S复合材料,三种材料均在40%注硫量下表现出最佳的电化学性能,初始容量分别为950.6、1068.1、1116.7 mAh/g,其中盐洗改性沸石/S复合材料表现出最好的电化学性能。表明盐洗改性后的复合材料表现出更好的电化学性能,且该方法简单易行,制备周期短。最后采用比表面积更大,孔隙结构更加发达的13X沸石分子筛作为正极硫的载体,它的比表面积是223.05 m2/g。通过热熔融法注硫制备了含硫40%的13X沸石分子筛/S复合材料,在0.2 C的电流密度下,13X沸石分子筛/S复合正极材料初始放电比容量高于之前的改性材料,能够达到1284.3 mAh/g,200次循环后也能维持在较高的水平,保持在850.9 mAh/g,容量保持率达到66%。这说明13X沸石分子筛/S复合材料具有较好的循环性能。
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