碳納米管的改性對鋰硫電池性能的影響研究.pdf

1、鋰硫電池因高理論容量、硫的價格低廉且對環(huán)境友好受到廣泛關(guān)注。鋰硫電池也存在一些不足，比如硫的導(dǎo)電性低、中間產(chǎn)物多硫化鋰溶于電解液造成正極材料的損失等。碳材料被廣泛用作鋰離子電池的電極材料，其中碳納米管(CNTs)因為良好的導(dǎo)電性、輕質(zhì)量等優(yōu)點經(jīng)常用作鋰硫電池的正極材料。
　　本工作旨在通過對碳納米管進(jìn)行改性來提升鋰硫電池的電化學(xué)性能。一方面，將氮原子替代碳原子進(jìn)入碳材料可以顯著增強其電子導(dǎo)電率以及增加更多的缺陷從而使其無定形程度增

2、加。在本項研究中，通過CVD方法合成了氮摻雜碳納米管(N-CNTs)。使用XRD、SEM和拉曼光譜對其形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。與純的CNTs不同，N-CNTs在表面擁有更多結(jié)構(gòu)上的缺陷，無定形程度也更高，可以促進(jìn)硫的分布。硫與碳材料經(jīng)過熱處理結(jié)合在一起。在碳納米管/硫(CNTs/S)、氮摻雜碳納米管/硫(N-CNTs/S)混合物中硫含量均為60％。由EIS結(jié)果得知，N-CNTs/S電極的電阻更低，也就是說，該電極擁有更高的電子導(dǎo)電能力。此

3、外，EDS能譜分析表明:硫和碳在N-CNTs/S復(fù)合材料中的分布更加均勻。更好的分布提高了硫的利用率，從而提升了摻氮碳納米管/硫電極的放電能力。因此，N-CNTs/S電極在0.1C（167mA/g）、0.2C(335mA/g)和0.5C(837.5mA/g)不同倍率下的首次放電容量分別為886mA·h/g、681mA·h/g和586mA·h/g，相比CNTs/S，其放電容量提升了大約30％。此外，在837.5mA/g電流密度下充放電10

4、0圈后同樣表現(xiàn)出更好的循環(huán)穩(wěn)定性。所有的這些電化學(xué)性能上的提升可以確定都來自氮摻雜過程。據(jù)我們所知，目前還沒有N-CNTs在鋰硫電池上的應(yīng)用。
　　另一方面，采用一些簡單易行的方法對CNTs進(jìn)行了羥基化和導(dǎo)電聚合物的包覆，并對修飾及包覆前后的電極材料進(jìn)行了性能上的比對。通過水熱法，將羥基基團接枝到碳管表面，并通過XPS，IR等表征了羥基基團的介入。在室溫環(huán)境下，通過硫代硫酸鈉和濃鹽酸的反應(yīng)將硫與碳材料復(fù)合在一起，并以此作為活性物質(zhì)

5、制備了測試電池，結(jié)果表明羥基基團的引入提高了電極材料的放電容量，這是由于羥基的存在對硫在碳材料表面的均勻分布有促進(jìn)作用，提高了硫的利用率。此外，使用導(dǎo)電聚合物聚乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸鹽(PEDOT∶PSS)對碳硫復(fù)合材料進(jìn)行包覆，可以進(jìn)一步提升電極材料的放電容量，這是因為導(dǎo)電聚合物增強了復(fù)合材料的導(dǎo)電性。在0.5C電流密度下充放電300次以后，放電容量依然能夠維持在550mAh/g以上，保持率達(dá)到84％;并且?guī)靷愋矢哌_(dá)94％。