锂-硫电池用金属锂负极的保护及电化学性能研究

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锂-硫电池由于具有较高的比能量(2600 Wh g-1)因而在近些年受到广泛关注。单质硫具有价格低、含量丰富、环境友好等优点,使锂硫二次电池成为未来最具竞争潜力的二次电池体系。但单质硫的绝缘性、反应中间产物易溶于电解液以及锂负极的损耗等特性造成的电池性能快速衰减,严重限制了锂-硫电池的实际应用。本论文通过旋转涂覆的方法,在锂负极表面分别涂覆氧化石墨烯(GO)涂层和 Al2O3涂层,以期改善锂硫电池锂负极的形貌和稳定性,从而进一步提高锂-硫电池的电化学性能。  本文首先将导电炭黑与单质硫球磨混合后155度热处理,制得硫含量为65%的硫-碳复合材料。在氩气保护氛围中,采用旋转涂覆的方法在锂片表面涂覆氧化石墨烯。通过XRD对正极材料的结构特征进行表征,通过SEM对电化学循环前后锂负极表面形貌进行表征,并分别对表面涂覆和未涂覆氧化石墨烯的负极进行了电化学性能测试和对比分析。结果表明,当金属锂表面氧化石墨烯涂覆量为0.46 mg cm-2时,以该金属锂为负极的电池在160 mA g-1电流密度下循环50周,正极的放电比容量在785 mAh g-1,表现出最优的电化学性能。特别是,氧化石墨烯保护层在循环过程中始终保持完整的形貌。研究表明,氧化石墨稀对于由于穿梭效应带来的金属锂的腐蚀和硫正极活性物质的损失有一定抑制的作用。本工作进一步采用价格低廉且电化学惰性的纳米氧化铝作为修饰材料进行表面涂覆。将PBX51,碳纳米管与单质硫按照1.5:1.5:7的比例混合后155度热处理,制得硫含量为70%的硫碳复合材料。在氩气保护氛围中,采用旋转涂覆法在锂片表面涂覆Al2O3。在制备的一系列不同涂覆量氧化铝保护的锂负极中,氧化铝涂覆量为0.58 mg cm-2时,锂硫电池表现出最优的电化学性能。在160mAg-1的电流密度下,正极首周容量达到1215mAhg-1,在50周循环后其容量保持率为70%。使用纯锂片为负极的电池在50周循环后,锂负极形貌破坏较为严重,而采用Al2O3保护后的锂片为负极的电池在50周循环后,锂负极能够更好地保持较为平整的形貌。研究表明,氧化铝保护层能够在电化学反应过程中充当稳定的SEI膜,并通过抑制多硫化锂与金属锂的直接接触减少穿梭效应带来的副反应,从而提高活性物质利用率和电池的循环性能。
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