鋰硫電池柔性正極材料研究.pdf

1、鋰硫電池具有非常高的理論能量密度(2600Wh/kg)，成本遠低于鋰離子電池且對環(huán)境十分友好，非常有希望替代鋰離子電池成為下一代高比能二次電池。但目前鋰硫電池的能量密度、循環(huán)性能都有待提升，而解決這些問題的關(guān)鍵在于開發(fā)具有高硫單質(zhì)載量和長循環(huán)壽命的鋰硫電池正極材料。本文從三聚氰胺甲醛樹脂海綿炭(MFC)出發(fā)，探究了具有三維結(jié)構(gòu)的海綿炭作為鋰硫電池柔性一體化正極的性能，發(fā)現(xiàn)這類電極在高載硫條件下具有優(yōu)異的循環(huán)性能，作為鋰硫電池正極材料具有

2、巨大的潛力，具體內(nèi)容如下:
　　首先，將商業(yè)化的三聚氰胺甲醛樹脂海綿(MF)在管式爐中炭化，制備出了具有柔性三維骨架結(jié)構(gòu)的中空MFC海綿炭。這種材料具有非常低的密度(8mg·cm-3)，與硫單質(zhì)復(fù)合后得到的MFC-S可直接用作鋰硫電池的柔性一體化正極。對該電極的初步測試表明，材料在高達80.18％的載量條件下仍具有非常好的循環(huán)穩(wěn)定性，但MFC的石墨化程度低，導(dǎo)電性能欠佳。將MFC海綿炭與GO和rGO復(fù)合之后，所制備出的MFC/GO

3、-S和MFC/rGO-S柔性一體化電極不僅具有非常好的循環(huán)穩(wěn)定性，且容量性能得到很大的提高，其中對于MFC-rGO-S電極，其在75％載量的條件下，0.1C的電流密度下，首次放電容量為1183.1mAh·g-1，100次循環(huán)后，容量為653.5mAh·g-1，電池在第20到第100周的循環(huán)過程中幾乎無衰減。
　　其次，進一步研究了硫單質(zhì)載量、MFC厚度和電解液注液量對電池性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在單質(zhì)硫載量為55.88％-75.14

4、％的范圍內(nèi)，不同載量的MFC-S電極表現(xiàn)出了相似的容量和循環(huán)性能;當活性物質(zhì)的面密度小于2.4mg·cm-2時，電池的容量性能隨著MFC厚度的增大而提高;當電解液注液量大于10uL時，電池的比容量隨著注液量的提升而降低，這些結(jié)果與傳統(tǒng)涂覆式電極有很大區(qū)別?；谏鲜鲅芯拷Y(jié)果，我們認為，這是由于MFC海綿炭自身的Foam結(jié)構(gòu)造成的，這種結(jié)構(gòu)對電解液有很強的吸附作用，能將電解液有效的限制在正極區(qū)域內(nèi)，避免過多的多硫化物隨電解液擴散至無法參加電

5、化學(xué)反應(yīng)的電池空隙內(nèi)，從多硫化物擴散的最終結(jié)果上改善了電池的循環(huán)性能，因此材料具有非常好的循環(huán)穩(wěn)定性，這也解釋了硫單質(zhì)載量、MFC厚度和電解液注液量對MFC-S電池性能的影響。進一步的，我們將MF海綿與傳統(tǒng)涂覆式極片疊放在一起作為電池的正極，簡單的提高了傳統(tǒng)電極在正極區(qū)的電解液保有量，測試發(fā)現(xiàn)這些涂覆式電極表現(xiàn)出了與MFC-S柔性一體化電極相似的循環(huán)和容量性能，而未加入MF海綿的對照組則沒有出現(xiàn)上述現(xiàn)象，證實了上述假設(shè)的合理性?？梢?，具

6、有Foam結(jié)構(gòu)的材料非常適合于作為高載硫量，長循環(huán)壽命的鋰硫電池正極。
　　最后，基于MFC的Foam結(jié)構(gòu)，進一步將其與碳納米管(CNT)、石墨烯(Graphene)、和多孔碳(CAC)三種材料的PVDF漿料復(fù)合，再經(jīng)炭化后制備出了MFC/CNT、MFC/Graphene和MFC/CAC三種復(fù)合材料。在這些材料中，MFC作為骨架為復(fù)合材料提供柔性Foam結(jié)構(gòu)，CNT、Graphene和CAC則分別賦予了復(fù)合材料額外的導(dǎo)電性能和吸附

7、性能，材料中的PVDF經(jīng)炭化后轉(zhuǎn)化為微孔碳，進一步提高了復(fù)合Foam材料對多硫離子的束縛作用。對這些復(fù)合材料制備的柔性一體化電極的測試表明，三種電極均具有非常優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性且比容量得到很大的提升，載量為70％的MFC/CNT-S、MFC/Graphene-S和MFC/CNT-S在0.1C的電流密度下，首次放電容量分別為1358.6mAh·g-1、1157.5mAh·g-1和1025.7mAh·g-1，在0.2C的電流密度下循環(huán)100次