功能化空心碳-硫正极材料的可控制备与储锂性能研究

Rechargeable batteries with sulfur-based cathodes have recently attracted great interest owing to various advantages, such as very high theoretical energy densities, extremely low costs, and nontoxicity. Current lithium sulfur batteries suffer from rapid capacity decay, which is caused by multiple mechanisms, e.g. low conductivity, polysulfides dissolution, and large volume expansion during lithiation. This project aims to synthesize novel hollow carbon materials for S hosting to enhance its conductivity, suppress its dissolution in the electrolyte, and accommodate its volume expansion. Specifically, the SiO2 spheres and Fe2O3 cubes will be used as templates for the growth of porous carbon shell. After removing of templates and further functionalization, novel porous hollow carbon materials with ultra-high pore volume, tailored structure and surface chemistry could be obtained. The effects of structure, pore size, surface chemistry, and S loading amount on the electrochemical performances will be systematically studied, which will improve the development of high performances lithium sulfur batteries.

具有高能量密度的锂硫电池是最具发展潜力的新一代高能量密度二次电池之一。针对现有锂硫电池中硫导电性低、活性物质易溶出以及嵌锂过程中的体积膨胀等问题，本项目拟设计合成功能化空心碳-硫正极材料提高硫的导电性，抑制活性组分溶出，缓解材料的体积膨胀，从而提高锂硫电池的电化学性能。本项目拟采用二氧化硅球或三氧化二铁立方体为模板，在模板表面原位生长多孔聚合物，并对复合物进行碳化处理，除掉模板后制备尺寸均一可控、孔径尺寸可控、单分散空心碳材料。然后对其进行有机官能团功能化，制备功能化空心碳-硫正极材料，考察锂硫电池性能。将原子尺度上空心碳结构的精细控制（形貌、尺寸、孔结构等的调控）和界面调控（碳材料的表面官能团）相结合，研发具有优异循环寿命和倍率性能的锂硫电池材料。

随着人们对电子设备和电动汽车需求的不断增加，传统的锂离子电池因其低能量密度的限制已经无法满足人们的需求。锂硫电池因其理论能量密度远高于锂离子电池的能量密度，被认为是最具有发展前景的新一代高能量密度电池之一。然而，锂硫电池中硫和硫化锂导电性差、多硫化锂溶解造成的穿梭效应以及循环过程中正极的体积膨胀等问题制约了其在工业上的实际应用。本项目拟通过模板法制备均一可控的空心碳材料，然后对其进行功能化处理，制备功能化空心碳-硫正极材料。将原子尺度上空心碳结构的精细控制（形貌、尺寸、孔结构等的调控）和界面调控（碳材料表面官能团）相结合，从而进一步提高碳-硫复合材料的储锂性能。本项目在开发具有高能量密度的锂硫电池的过程中发现，其他高能量密度电池体系（如锂-空气电池）和具有大规模应用潜力的电池体系（如钠/钾/铝离子电池）存在的问题如循环过程中的体积膨胀问题和锂硫电池有着相似之处。通过前期在锂硫电池的研究工作，尤其是功能化空心碳结构设计工作方面的积累，我们的研究工作也对这些电池体系进行了进一步拓展。基于上述考虑，本项目以功能化空心碳-硫正极材料的微观结构的设计为主体，通过简单可控的制备策略，成功开发了一系列金属氧/硫/硒化物功能化的空心碳材料，如核壳结构NiS2/C、三维藕状结构MnO@MCNF、中空结构NiS2@G、项链状Co0.8Se@CNFs和三维有序大孔结构CoSe2@C。通过深入分析空心碳材料的结构和界面性质对锂硫电池储锂性能和其他电池储能性能之间的内在联系，寻找发展高性能电极材料。