MoS2复合材料的制备及其在锂硫电池中的应用

作     者：邱赣 

作者单位：南昌大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙福根;邓纶浩

授予年度：2024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 硫碳复合正极 硫化聚丙烯腈正极 二硫化钼 隔膜改性 

摘      要：锂硫电池因其极高的理论能量密度(2600 Wh kg-1),是传统锂离子电池能量密度的5-10倍而备受关注,被视为极具应用潜力的下一代高能量密度锂二次电池。然而,基于“固-液-固转化机制的硫碳复合正极存在严重的充放电中间产物多硫化锂溶出扩散问题,导致活性物质大量流失;基于“固-固转化机制的硫化聚丙烯腈复合正极电导率极低,使得电化学反应动力学过程非常缓慢,从而造成目前锂硫电池的实际能量密度较低、循环稳定性和倍率性能较差。Mo S2作为一种典型的二维过渡金属硫化物,已经被广泛应用于电催化领域。本论文针对目前锂硫电池存在的上述问题,从Mo S2复合材料的结构设计出发,将Mo S2复合材料分别用作隔膜修饰剂和正极掺杂剂,研究了Mo S2复合材料对锂硫电池性能的影响,最终提高了锂硫电池性能。主要研究内容具体如下: （1）通过水热法在碳微球上原位生长Mo S2纳米片,热处理后得到“壳@核型Mo S2@C复合微球;将Mo S2@C复合微球涂覆在商用聚丙烯（PP）隔膜一侧,得到Mo S2@C/PP改性隔膜。围绕基于“固-液-固转化机制的硫碳复合正极,研究了Mo S2@C/PP隔膜的不同结构特性（包括Mo S2含量和Mo S2@C涂覆量）对锂硫电池性能的影响。结果表明,超薄的Mo S2纳米片均匀包覆在碳微球表面,有效抑制了Mo S2自身的团聚堆垛,暴露了丰富的活性边缘。高活性的Mo S2@C隔膜涂层不仅可以有效抑制多硫化锂的穿梭效应,而且能够促进“固-液-固转化的电化学反应动力学过程,从而提高了锂硫电池性能。在优化的Mo S2含量和Mo S2@C涂覆量条件下,Mo S2@C/PP改性隔膜的锂硫电池表现出优异的倍率性能和循环性能;在0.1 C电流密度时的首圈放电容量为1400 m Ah g-1,循环100圈后可逆容量依然保持有816 m Ah g-1;在0.5 C电流密度时的首圈放电容量为1157 m Ah g-1,循环100次后可逆容量为631 m Ah g-1;在1 C倍率时的可逆容量保持在600 m Ah g-1。 （2）将Mo S2、S和聚丙烯腈（PAN）均匀混合后热处理,得到Mo S2掺杂的硫化聚丙烯腈复合正极材料（Mo S2/SPAN）。围绕基于“固-固转化机制的硫化聚丙烯腈复合正极,研究了Mo S2掺杂剂的用量和热处理工艺对锂硫电池性能的影响。结果表明,Mo S2在SPAN材料中均匀分散;Mo S2的均匀掺杂可以有效提高SPAN正极材料的电化学反应动力学速率,从而提高了锂硫电池性能。在优化的Mo S2掺杂量和热处理工艺条件下,Mo S2/SPAN复合正极材料的锂硫电池展现出了优异的性能;在0.1 C电流密度时的首圈放电容量为450 m Ah g-1（基于Mo S2/SPAN正极材料的整体质量计算）,循环100圈后可逆容量几乎没有降低,依然保持有440 m Ah g-1;在0.5 C电流密度时的首圈放电容量为420 m Ah g-1,循环100次后可逆容量为400 m Ah g-1。