Ti3C2/碳球复合材料的制备及其在锂硫电池正极中的应用

作     者：祁琪 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙正明

授予年度：2020年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：锂硫电池 中空多孔碳球 MXene 多硫化锂 

摘      要：锂硫电池具有高理论能量密度和高理论比容量的优点,被认为是最有发展前景的下一代储能器件之一。然而,单质硫和硫化锂导电能力差、硫正极在循环过程中体积变化大、中间产物多硫化锂的穿梭等问题限制锂硫电池的实际应用。对硫正极进行改性能够有效应对上述问题。本文主要从抑制多硫化锂的穿梭效应入手,利用MXene和中空多孔碳球的优势性能,减少多硫化锂的溶解穿梭,改善锂硫电池的电化学性能。主要研究内容与结果如下:1)采用模板法制备中空多孔碳球(Hollow Porous Carbon Spheres,HPCS),并用作硫载体。结果表明,HPCSs的高电导性改善了体系的导电能力,HPCSs的中空多孔结构保证了电极的高硫载量(80.5%),有效缓解了硫正极在充放电过程中的体积膨胀,同时也在一定程度上限制了多硫化锂的溶解和穿梭。HPCSs/S电极在0.05 C时,初始放电容量高达1320.8 m Ah g-1。然而,非极性HPCSs对多硫化锂的物理限域能力较弱,在1 C下循环500圈后,平均每圈容量衰减率高达0.209%。2)以氟化锂和盐酸刻蚀TiAlC制备了m-TiC(多层MXene)和d-TiC(少层MXene),并用作硫载体。结果表明,d-TiC的极性表面可化学吸附多硫化锂,表现出比HPCSs/S正极更好的循环稳定性。d-TiC具有比m-TiC更高的比表面积(20.0 mg-1)和硫载量(71.2%),能够提供更多的化学吸附位点,增强对多硫化锂的吸附,抑制穿梭效应。d-TiC/S电极0.05 C下的初始容量为1147.1 m Ah g-1,但其在循环过程中容易坍塌,在1 C下循环500圈后,平均每圈容量衰减0.137%。3)结合HPCSs和d-TiC的优势,通过静电自组装制备了HPCSs@d-TiC复合材料,并用作硫载体。结果表明,HPCSs@d-TiC具有类三明治结构,d-TiC构成了导电骨架,HPCSs通过静电作用紧密固定在骨架两侧。d-TiC抑制HPCSs的团聚,而HPCSs阻止d-TiC在循环过程中的坍塌,保证了结构稳定。HPCSs@d-TiC具有高比表面积(177.0 mg-1)和硫载量(76.5%),极性d-TiC可以化学吸附多硫化锂,与HPCSs的物理限域协同抑制循环过程中的穿梭效应与体积变化,提高锂硫电池的循环稳定性。HPCSs@d-TiC/S电极在0.05 C下,初始容量高达1397.5 m Ah g-1,在1 C下循环500圈后,平均每圈容量衰减率低至0.069%。HPCSs@d-TiC/S电极表现出出色的硫利用率、倍率性能和循环稳定性。