花生壳基碳/硫复合物的制备、改性及电化学性能研究

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锂硫(Li-S)电池作为最具前景的新一代二次电池,因其高理论能量密度(2500 Whkg-1)、高理论比容量(1675 mAhg-1)、环境友好、价格低廉等优点,备受研究工作者关注。然而,作为锂硫电池正极材料的硫导电性能差、充放电过程中的体积变化大、充放电时生成的多硫化物在电解液中的溶解及穿梭效应等问题,导致循环性能和倍率性能低,限制了锂硫电池在市场上的应用。本文在简单介绍了硫/碳复合正极材料研究进展的基础上,基于我国是农业大国及生物质碳环境友好可持续等特点,研究开发了以花生壳为碳源,氢氧化钾为活化剂,热解碳化制备了分级多孔碳HPC,并将其与硫复合应用于锂硫电池。此外,使用二硫化铁作为添加剂和氮掺杂对碳材料进行改性,制备了FeS2添加的S/HPC和S/NHPC复合材料。主要内容如下:1.以花生壳为碳源,氢氧化钾为活化剂,改变活化剂用量和碳化温度,制备了比表面和孔容不同的分层多孔碳HPC,结果表明当KOH用量为4.0 g,碳化温度为800℃时制备的分层多孔碳具有较高的电化学性能,比表面积为1818.0m2 g-1,孔容为0.920 cm3g-1,将其与硫复合制备的硫/碳复合物具有较好的电化学性能,该硫/碳复合材料(30.35%的硫含量)在0.5 C的电流密度下,首周放电容量为1643.8 mAhg-1,经100周循环后容量仍可保持815.7 mAhg-1。花生壳基碳材料中的分层微/介孔结构对硫的吸附和包覆作用,有效抑制了充放电过程中多硫化物的溶解,提高了材料的导电率,大孔容为硫的体积膨胀起到了有效的缓解作用,从而提高了硫/碳复合电极材料的电化学性能。2.硫化法制备了颗粒状二硫化铁,并以FeS2为添加剂,通过改变添加剂的质量,制备了不同添加剂用量的S/HPC复合材料电极。电化学研究结果表明,当FeS2用量为15%时,复合电极(硫含量为53.02%)在0.5 C的电流密度下,首周放电容量为1206.7 mAhg-1,100周后可逆容量为621.4 mAhg-1。适当添加FeS2能有效改善S/HPC复合材料的电化学性能和提高充放电库伦效率。3.以三聚氰胺为氮源,与花生壳基多孔碳共热制备了氮掺杂多孔碳NHPC,通过改变三聚氰胺的质量比,制备出不同氮含量NHPC。并通过熔融法将硫融入氮掺杂多孔碳NHPC中,制备了不同氮含量的NHPC/S复合材料。结果表明三聚氰胺与HPC的质量比为30:1时,制备出的S/NHPC复合材料电极(含硫量为57.82%),具有较好的电化学性能,在0.5 C的电流密度下首周放电容量为1298.8mAh g-1,100次循环后,容量保持为595.3 mAh g-1,且库伦效率一直保持在95%以上。
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