硫碳復合材料的制備和電化學性能研究.pdf

1、單質硫在被還原時能夠得到兩個電子,而且其質量較輕,所以單質硫的理論比容量可達1675 mAh/g,理論能量密度達2600 Wh/kg,是目前比容量最高的正極材料。同時,單質硫具有價格低廉、環(huán)境友好等特點,在能源問題日益嚴重的今天,硫電極材料探索與研究越來越受到人們的關注。但是,硫電極也存在下列問題：⑴單質硫為電子和離子絕緣體,作為電極材料其活性物質利用率較低。⑵硫電極放電中間產物易溶于常規(guī)有機電解液,造成活性物質的損失,且溶解的產物易腐

2、蝕鋰金屬電極。⑶硫電極放電的最終產物Li2S也呈現絕緣性,沉積在硫電極表面可阻止活性物質的進一步反應,導致硫的利用率降低。以上這些問題嚴重影響了鋰硫電池的研究與開發(fā)。本文為了克服硫電極存在的問題,分別將單質硫與乙炔黑、介孔超導炭黑和微孔碳球進行復合,探索了不同碳材料的孔結構對所負載硫的電化學性能的影響,以期重點改善硫電極的循環(huán)壽命。主要研究內容包括：
　　 ⑴將乙炔黑與單質硫通過熱處理的方法制備成硫-乙炔黑復合材料,并分別在抑制

3、硫及多硫化物溶解、加快硫及多硫化物溶解的電解液以及商用鋰離子電池電解液中進行了電化學測試。優(yōu)化得到了使硫.乙炔黑復合材料具有最佳電化學性能的電解液和硫在乙炔黑中的合適含量。同時,對具有最佳電化學性能的硫.乙炔黑復合材料進行了詳細的結構分析與電化學性能測試。研究表明,單質硫嵌入到乙炔黑2.5 nm的較小介孔內,可有效提高硫電極的充放電容量,改善了硫電極的循環(huán)性能。
　　 ⑵采用具有高比表面積的介孔超導炭黑與單質硫進行復合,制備出硫

4、-超導炭黑復合材料。結合對復合材料的結構分析和電化學性能測試,研究顯示,超導炭黑負載硫呈現不同的影響趨勢,既超導炭黑負載高含量(超過56 wt％)和低含量(38 wt％)的單質硫,其電化學性能均不理想。這主要是因為超導炭黑的介孔(3.7nm)遠大于硫八環(huán)(S8)的半徑,當單質硫填充到超導炭黑的介孔中時,只有與介孔孔壁相接觸的單質硫可以被還原,而未還原的單質硫又阻礙了鋰離子的進一步擴散,造成電極的嚴重極化和較低的硫利用率。因此,增大碳材料

5、的孔徑不利于嵌入孔內的單質硫電化學性能的改善。
　　 ⑶采取具有大量微孔的微孔碳球對硫進行有效負載。通過熱處理方法將單質硫嵌入到碳球的微孔中,制備得到了硫.微孔碳球復合材料。電化學測試結果表明,硫.微孔碳球復合材料在小電流密度下首次放電容量達到了1333 mAh/g,為硫的理論容量的80％,且硫電極的可逆容量可保持在1006mAh/g。即使在1200 mA/g的大電流密度下,硫電極的可逆容量也達730 mAh/g。特別是在在40

6、0 mA/g的電流密度下,硫.微孔碳球復合材料在循環(huán)500周后,其容量仍然保持在650 mAh/g。因此,單質硫以鏈狀分子形式嵌入到碳球的微孔中,顯著提高了單質硫的利用率,且單質硫和其放電中間產物一多硫化物可被吸附在碳球的微孔中,限制了硫及多硫化物在電解液中的溶解,也避免了最終產物Li2S在碳球表面的明顯沉積。因此,將單質硫嵌入到碳球的微孔中可有效改善硫電極的循環(huán)性能。
　　 ⑷針對碳材料的不同孔結構對硫的電化學性能的影響,特別