金属化合物复合多孔碳的结构设计及其在锂硫电池中的应用

作     者：许旭鹏 

作者单位：湘潭大学 

学位级别：硕士

导师姓名：潘勇

授予年度：2023年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：锂硫电池 硫宿主 结构设计 穿梭效应 多硫化锂 

摘      要：锂硫电池因为它拥有高的理论能量密度、较低的成本、安全性高以及对环境没有污染等优点，受到了研究人员的高度重视。然而锂硫电池仍然存在着很多问题，比如正极材料硫的绝缘性会降低正极材料的离子导电性和电子导电性，造成电池倍率性能差;硫物种在正极与负极之间的穿梭导致容量的迅速衰减。因此,如何实现高导电性、强物理吸附以及化学吸附的协同效应，是锂硫电池发展的重大挑战。针对上述问题，本文以实现锂硫电池的高倍率性能以及长循环寿命为研究目标,通过对多孔碳材料进行结构设计以及合理优化，分别制备了集高导电性、强物理吸附和强化学吸附为一体的多功能化硫宿主。具体研究内容如下: (1)以廉价易得的玉米淀粉作为生物碳源，结合溶剂热法和高温活化法等简单的工艺，得到了“毛绒球状结构的新型亲硫宿主(Fe3C/CS)。该结构能够增大复合材料与电解质的接触面积，从而提高了电子和离子的输运速率。此外，具有分层微球碳骨架和基于Fe3C纳米颗粒的电催化效应的Fe3C/CS可以提供物理约束和化学键合的协同效应，以固定锂硫电池中的多硫化物。因此，Fe3C/CS@S在0.5C时初始容量高达1387.5mAhg-1,并且能够实现5.0C的高倍率性能。 (2)选取具有高导电性的碳纳米纤维作为碳源，结合溶剂热法和高温退火等方法得到了Zn-NC@CNF和Co-NC@CNF两种复合材料。经过对比可得，Co-NC@CNF不仅可以通过形成的Co4N粒子有效的捕获多硫化锂，同时，基于Co的催化作用，促进多硫化物间的相互转换，从而达到降低“穿梭效应的目的。因此，Co-NC@CNF电极不仅可以在5.0C的高电流密度下实现1000次的稳定循环，并且拥有较低的容量衰减率(0.033％)。除此之外，该电极在10C的超高倍率下也能够实现稳定的可逆充放电。 (3)选取废弃的芋头杆作为生物碳源，结合冷冻干燥与高温化学活化法制备了Co-NC@CTP材料。该材料不仅可以有效的锚定多硫化物，而且在高活性CoO和Co颗粒催化作用下可以加速活性物质与多硫化物之间的转化。因此，Co-NC@CTP/S电极在1.0C的电流密度下进行充放电测试，每圈容量仅下降了0.056％。当活性物质的负载面积为3.58mgcm-2,给定电流密度为0.2C时，Co-NC@CTP/S电极在首次充放电循环中可实现701.1mAhg-1。