钴基材料的制备及其在锂硫电池中的应用

• 作 者: 刘小飞
• 出 处: 吉林大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 硫化钴 锂硫电池 化学吸附 穿梭效应 碳纳米笼

锂硫电池不但具有高的理论能量密度（2600 Wh/kg）和比容量（1675 mAh/g）,而且正极活性物质硫含量丰富、质优价廉。因此,锂硫电池具有良好的商业前景。然而,锂硫电池商业化应用依然任重而道远,主要存在以下几个问题:单质硫和硫化锂不良的电子离子导电能力、体积膨胀以及严重的穿梭效应。为解决以上问题,本文从抑制穿梭效应、提高材料导电性的角度出发,设计制备了中空Co₉S₈和聚吡咯包覆硫钴共掺杂碳纳米笼（PSCC）材料,并且分析评价了其电化学性能,具体研究内容如下:1.利用溶剂热法成功制备了Co₉S₈,SEM、TEM等一系列表征结果表明所制备的Co₉S₈样品为单分散中空球状结构;另外探究了不同溶剂热反应时间对样品形貌结构以及电化学性能的影响,总结得出中空球状Co₉S₈材料的形成机制为Ostwald熟化机制。通过可视化吸附测试证明同碳材料（KJB）相比,极性Co₉S₈对多硫化物的吸附能力更强,并且结合X射线光电子谱（XPS）测试,揭示了这种现象的深层原因:多硫化物（Li₂S₄）与Co₉S₈之间的电子转移;利用EIS、SEM、充放电曲线表征证明同KJB相比,Co₉S₈更有利于抑制多硫化物扩散、减小极化、保持电极结构稳定。因此,Co₉S₈应用于锂硫电池后表现出了良好的倍率和循环性能。2.利用多步骤反应合成策略,成功的设计合成了PSCC。探索了硫化反应时间以及硫化温度对硫钴共掺杂碳纳米笼（SCC）形貌结构的影响,确定了最佳硫化处理温度以及硫化反应时间,证明了SCC的离子交换的柯肯达尔形成机制;基于材料的导电性和结构稳定性,利用低温氧化聚合反应制备了形貌规则完整、单分散十二面体的PSCC样品,四探针测试表明同前驱体（ZIF-67）相比其导电性获得了极大提高。通过可视化吸附实验证明同ZIF-67相比,PSCC与多硫化物之间存在更强的吸附能力,XPS分析结果表明PSCC中存在的极性官能团是其与多硫化物之间较强的化学吸附能力的本质;最后将PSCC应用于锂硫电池,通过CV曲线、充放电曲线、放电中值电压以及阻抗分析测试,表明PSCC/S复合物电极在充放电过程中具有更小的阻抗与极化;通过电极中多硫化物扩散实验证明在实际循环测试中PSCC确实起到了抑制穿梭效应的作用。因此,PSCC应用于锂硫电池后表现出了良好的倍率和循环性能。