锂-硫二次电池核壳式正极材料的制备及电化学性能研究

• 作 者: 陈光
• 机 构: 北京工业大学
• 出 处: 北京工业大学
• 发表日期: 2011年期
• 关键词: 正极材料 单质硫 碳硫复合材料 电化学性能 锂-硫二次电池

单质硫因具有很高的理论能量密度、丰富的自然资源和无毒性等多种优势，成为下一代锂电池中最具发展潜力的正极材料之一。但锂-硫电池面临着一系列的问题，包括活性物质利用率低，循环性能差等，因此提高锂-硫二次电池的比容量和循环寿命仍然是硫系电极材料研究所面临的主要课题。中空碳球具有优良的化学稳定性及热稳定性，并且密度低，抗压性能好，被广泛的应用于电极材料，储能储氢材料，吸附材料等领域。　　
本论文首先是采用成熟的水热法合成空心碳球作为前驱体，并对其形貌、电化学性能等进行表征测试。结果表明，水热法合成的空心碳球，在经过高温处理后，比表面积由初始的7m2/g增大到821m2/g，并且表面存在较均匀的微孔和介孔。在60mA/g电流密度下，样品在充放电电压为0.01～3.0V范围内，第二次放电容量为603mAh/g，50次循环后容量仍保持为450mAh/g，循环性能较为稳定。　　
本论文制备碳硫复合材料主要是采取两种方法：熔融法和加压浸渍法，并通过XRD、BET、SEM、EDS、TEM等进行表征。两种方法的目的为实现硫进入前驱体的核内，使材料表面形成导电性好的保护层，从而减少活性材料的损失。结果表明，熔融法制备的电极材料有效地克服了单质硫导电性差的缺点，空心碳球的核壳结构有效地保护了活性材料，很好的改善了碳硫复合材料用作锂电池正极材料的电化学性能。同时考察了时间对所制备的电极材料电化学性能的影响，结果表明在混合加热时间较长时所制备的电极材料的电化学性能优于时间较短时所制备材料的性能。48h、75h所制备样品在充放电电流密度为100mA/g时首次放电容量分别为729mAh/g、818mAh/g，经过30次循环后容量分别为185mAh/g、499mAh/g，但容量衰减速率较快，首次不可逆容量相对较高，充放电效率较低，仍需要继续优化。而采用加压浸渍法制备的电极材料，放电平台在1.4V以下，并未表现出硫电极材料(2.1V和2.4V)应具有的电化学特性。　　
本文尝试用速冷法制备无定形单质硫，以提高其在CS2、DMF溶液中的溶解度。