论文部分内容阅读
随着能源问题和环境问题的日益严峻,人类对太阳能等清洁可再生能源的需求与日俱增。然而,如何将太阳能和风能等间歇性的清洁能源转化的电能进行经济持续的有效储存是影响人们能源使用的关键所在。锂硫电池由于质量比容量和体积比容量高,能量密度大,且硫单质资源丰富等优点,受到国内外研究者的广泛青睐,是最有前景的新一代能量存储系统。然而,硫单质导电性差,充放电过程中易发生体积膨胀以及多硫化物的溶解等问题导致电池库伦效率低、稳定性差。这些问题限制了锂硫电池的实际应用。为了解决锂硫电池中遇到的问题,研究者常常将硫与其他导电材料和具有固硫效果的材料进行结合,试图打破其锂硫电池实际使用过程中的限制。碳材料由成本低廉,导电性好备受广大研究者们的青睐;而金属氧化物材料由于独特的结构和性质,能提供丰富的极性活性位点吸附多硫化物,有效地抑制多硫化物的溶解,缓解由穿梭效应引起的电池稳定性差的问题,广泛应用在锂硫电池的研究中。因此将碳和金属氧化物起来,有望充分利用二者的优点,从而全面提升锂硫电池的使用性能。本文选取了常见的TiO2和MnO2为研究对象,通过与碳材料进行复合,制备了多种具有核壳结构的纳米复合材料,应用于锂硫正极材料中,大大改善了其循环稳定性和倍率性能。主要研究内容如下:（1）以SiO2小球为模板,盐酸多巴胺为碳源,钛酸四丁酯为钛源,经过碳化、刻蚀步骤得到空心C@TiO2,再与升华硫复合得到S@C@TiO2正极材料。研究发现材料的两层多孔结构获得了较大的比表面积,増强了与电解液的接触;同时导电碳层为电子/离子的传输提供有效途径,降低了电池电阻,而TiO2层在整个循环过程中与多硫化锂之间具有相互作用,能够增强对穿梭效应的抑制,从而改善了锂硫电池性能,电池在1C下循环100圈仍保持将近80%的比容量,表现出良好的循环稳定性。（2）以KMnO4为原料制备了空心结构C@MnO2,后与硫单质复合得到S@C@MnO2。通过相关表征及电化学性能测试证明:得益于导电碳层和具有固硫效果的MnO2之间的共同作用,材料大大改善了电池的导电性,同时对循环过程中的多硫化锂的溶解问题起到了很好的抑制作用,从而提高了电池性能;在1C电流下的循环测试100圈后仍保留70%的比容量,是一种优良的锂硫电池正极复合材料。（3）在上述研究的基础上,成功合成了具有三层核壳结构的中空C@TiO2@C纳米结构并与硫复合制备了S@C@TiO2@C复合材料。通过电化学性能测试发现,其具有高达99%的首圈库仑效率和优异的倍率性能。在1C的电流循环200圈仍具有517.2 mA h g-1的比容量。其优异的电化学性能来源于其独特的三层复合结构。该三层复合结构不仅作为坚固保护壳,有效缓解硫在充放电过程中产生的体积膨胀从而导致的机械应力,大大增强了材料在循环过程中的稳定性,同时在双层碳层的作用下提高了两层C@TiO2的导电性,对全面提升电池性能起到了重要作用。这种新型三层保护下的硫正极复合材料有望成为理想的锂硫电池正极材料,推动产业的进一步发展。