多级孔结构MoO2纤维/S复合正极材料的合成及电化学性能研究

The high capacity and high stability of sulfur cathodes are the key to the application of lithium sulfur batteries. Nano oxides as additives can effectively improve the utilization and stability of the sulfur electrode, but the lower conductivity of the oxides restrict its application in lithium sulfur batteries. In this project, the conductive of MoO2 micro/nano fibers are prepared by electrospinning and the hierarchical porous structure of MoO2 fibers/sulufr composite cathode are prepared by heating sulfur. The conductive oxide of MoO2 is designed, which have adsorption polysulfides and catalytic lithium/sulfur redox reactions by hierarchical porous structure, electrocatalytic activity and high conductive. MoO2 as additives could improve the sulfur cathode electron conductivity and utilization, which are expected to improve the cycle performance of the lithium sulfur batteries. It is necessary to study on the parameters of preparation material. The formation mechanism of the interface structure in the composite cathode will be discussed. The catalytic lithium/sulfur redox reactions by hierarchical porous structure of MoO2 fibers will be explored. The multpihase interface reaction kinetics will be discussed. The electrochemical performance of MoO2 fibers/sulfur composite cathode will be researched in charging and discharging process. The project advances a new idea and method to prepare cathode materials for lithium sulfur batteries with high efficiency, stable and excellent cycling performance, and build a high energy density with excellent cycle performance lithium sulfur secondary batteries system, and have important academic significance and potential application prospect.

实现硫正极的高容量与高稳定性是锂硫电池应用化的关键。添加纳米氧化物可有效提高硫正极利用率及稳定性，但低导电率制约了其在锂硫电池中的应用。本项目提出电纺丝技术制备导电MoO2微/纳纤维，通过熔融浸渍法合成多级孔结构MoO2纤维/硫复合正极材料。设计具有吸附聚硫锂及催化锂/硫氧化还原反应能力的导电MoO2纤维，利用其多级孔结构、电催化活性和良好的导电性，提高硫利用率与正极电子电导，进而提高锂硫电池循环性能。调控电纺丝制备过程参数，探索多级孔结构MoO2纤维/硫复合正极材料界面结构及形成机理，阐明多级孔结构MoO2纤维催化锂/硫氧化还原反应机制，研究电极体系多相界面反应过程动力学，揭示MoO2纤维/硫复合正极材料充放电过程中电化学行为。本项目的实施为制备高效、稳定、长寿命的新型锂硫电池正极材料提供新思路和新方法，对构筑具有优良循环性能的高比能量锂硫二次电池体系具有重要的科学意义和潜在的应用前景。

本项目针对硫电极电子电导率低、多硫化物“穿梭效应”导致锂硫电池电化学性能不佳，基于电纺丝技术制备金属化合物/碳复合微纳纤维改善硫电极电子电导和系列复合微纳纤维膜作为“功能化插层”抑制多硫化物“穿梭效应”，提高电池电化学性能。主要研究内容及取得的成果包括：.（1）基于电纺丝工艺制备MoO2/C复合微纳纤维，研究了不同热处理工艺对复合材料物相、形貌、结构等理化性能影响。探讨了不同热处理温度制备的MoO2/C复合微纳纤维@S复合电极材料的电化学行为。复合电极电化学性能的提升归因于MoO2/C复合微纳纤维对多硫化物的吸附，同时降低了电极阻抗，加速电化学反应过程中锂离子迁移速率。.（2）基于电纺丝工艺制备高比表面结介孔结构β-Mo2C/C复合微纳纤维，通过硫热熔融浸渍工艺制备β-Mo2C/C@S复合电极材料，研究其电化学行为。高比表面积介孔结构β-Mo2C/C复合微纳纤维对充放电过程产物多硫化物具有双重物理和化学吸附作用，抑制多硫化物“穿梭效应”。.（3）基于电纺丝工艺制备C纳米纤维膜和系列金属氧化物（MoO2、TiO2和Ti4O7）/C复合微纳纤维膜，作为功能化插层应用于新型电池结构。相比于纯C纤维，金属氧化物/C复合微纳纤维的协同效应，进一步提高了电池高倍率条件下的充放电比容量、库伦效率及循环稳定性。.（4）基于水热/溶剂热工艺分别制备导电金属氧化物MoO2和Ti4O7，使之作为活性物质硫的载体，从而改善锂离子在锂离子在硫基材料中的迁移，提高硫的利用率和循环稳定性。研究结果表明，Ti4O7通过电化学反应过程中的形成的Ti-S健固硫，而MoO2通过其表面极性Mo-O健吸附极性聚硫锂。由此可见，不同氧化物吸附聚硫锂提高电池电化学性能的微观机制具有差异性。该研究结果为金属氧化物在锂硫电池中的应用有着重要的科学意义和应用价值。. 综上所述，该项目的研究结果对硫电极的保护机制提供了一种全新解释，对高比能锂硫电池性能的进一步优化具有重要的理论和实践指导作用。