高性能鋰硫電池正極的研究與開(kāi)發(fā).pdf

1、隨著能源和環(huán)境問(wèn)題的日益突出，以及電子電動(dòng)設(shè)備，尤其是電動(dòng)汽車(chē)的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)鋰離子電池已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足市場(chǎng)需要，因此尋求一種全新的高能電池體系成為儲(chǔ)能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。鋰硫電池是以硫?yàn)檎龢O，金屬鋰為負(fù)極的電池體系，擁有能量密度高，成本低，污染小等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最具潛力的下一代儲(chǔ)能體系之一。然而，鋰硫電池中由于活性物質(zhì)的電子、離子傳導(dǎo)性差，充放電過(guò)程中體積變化大，以及充放電中間產(chǎn)物的溶解性和伴隨的“穿梭效應(yīng)”等問(wèn)題，導(dǎo)致其活性物質(zhì)利用率低及循

2、環(huán)壽命短，阻礙其實(shí)用化進(jìn)程。
　　針對(duì)鋰硫電池中存在的問(wèn)題，本文從硫正極入手，通過(guò)導(dǎo)電添加劑和多功能粘結(jié)劑兩方面的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，旨在改善電極結(jié)構(gòu)，抑制穿梭效應(yīng)，提高電極的活性物質(zhì)利用率及循環(huán)穩(wěn)定性。本文首先制備了具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的大孔碳材料(MPC)，并作為硫正極的導(dǎo)電添加劑。通過(guò)與不同維度的碳材料對(duì)比，發(fā)現(xiàn)具有豐富孔結(jié)構(gòu)與高比表面積的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)碳材料可以?xún)?yōu)化活性物質(zhì)分布，提供更好的電子、離子傳輸，同時(shí)對(duì)聚硫離子具有更好的物理吸附

3、作用，從而抑制活性物質(zhì)溶解損失，提高電池循環(huán)穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，本文還研究了不同原料比、燒結(jié)溫度對(duì)所得碳材料的形貌結(jié)構(gòu)，及對(duì)應(yīng)硫碳復(fù)合物正極的電化學(xué)性能的影響，獲得了最佳的制備條件。同時(shí)還研究了硫碳復(fù)合物中硫含量，及電極上硫載量對(duì)電池性能的影響，為獲得高能量密度的鋰硫電池打下基礎(chǔ)。
　　此外，本文對(duì)硫正極的另一組分粘結(jié)劑進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化，進(jìn)一步改善鋰硫電池的電化學(xué)性能。1）針對(duì)聚硫離子的溶解穿梭問(wèn)題，本文針對(duì)性地提出了PNS復(fù)合型粘

4、結(jié)劑，利用粘結(jié)劑中PVP與Nafion的協(xié)同作用使聚硫離子被束縛在正極內(nèi)，抑制其溶解損失。SiO2的添加進(jìn)一步提高復(fù)合粘結(jié)劑對(duì)聚硫離子的吸附能力以及離子傳導(dǎo)能力，提高電池的倍率性能。2）基于以上結(jié)果，本文進(jìn)而提出和制備了改性聚苯并咪唑(mPBI)作為硫正極多功能粘結(jié)劑。其優(yōu)異的機(jī)械性能可以保證穩(wěn)定的電極結(jié)構(gòu)，抵抗電極充放電過(guò)程中的體積變化;其分子上豐富的官能團(tuán)可以通過(guò)與聚硫離子的化學(xué)相互作用對(duì)聚硫離子產(chǎn)生良好的化學(xué)吸附，抑制聚硫離子的溶

5、解擴(kuò)散和穿梭效應(yīng)。此外，本文通過(guò)mPBI對(duì)電池隔膜進(jìn)行改性，建立聚硫離子阻隔層，阻礙聚硫離子穿過(guò)隔膜，進(jìn)一步抑制了穿梭效應(yīng)，在不含LiNO3的電解液體系中庫(kù)倫效率仍能達(dá)到95％以上?；趍PBI的硫正極表現(xiàn)出良好的循環(huán)性能、高溫工作能力及較高的能量密度，具有一定的應(yīng)用前景。3）針對(duì)電極制備過(guò)程中使用有毒有機(jī)分散劑的問(wèn)題，本文還提出了采用生物質(zhì)水溶性GumArabic(GA)作為硫正極粘結(jié)劑。通過(guò)物理和化學(xué)雙方面的表征測(cè)試，發(fā)現(xiàn)基于GA粘

6、結(jié)劑的硫正極具有均勻穩(wěn)定的電極結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)韌的機(jī)械性能可以緩沖電極體積變化;而GA與硫和聚硫離子之間均存在化學(xué)鍵合作用，可以通過(guò)對(duì)活性物質(zhì)的化學(xué)吸附，抑制電池容量損失和穿梭效應(yīng)。所得電極具有良好的循環(huán)壽命，在長(zhǎng)達(dá)近半年的循環(huán)測(cè)試后仍擁有841 mAh g-1的比容量，同時(shí)具有優(yōu)異的倍率性能，在10C電流下仍具有460 mAhg-1的放電比容量。該工作為提高鋰硫電池性能提供了新的思路，同時(shí)也為鋰硫電池的規(guī)?；a(chǎn)提供了綠色且有效的方案。