锂硫电池用硫-导电钒基化合物/碳复合物的构筑及其机理研究

In the recent past, research focus is directed towards the development of lithium-sulfur (Li-S) batteries because of their over-whelming advantages in energy density. Thus, Li-S batteries are expected to become the ultimate power source for hybrid electric vehicles and electric vehicles in the near future. However, the applications of Li-S batteries are thwarted by capacity decay caused by the poor conductivity of the solid electrode and the polysulfide (Li2Sn) shuttle. Therefore, this application will start from the synthesis of the conductive vanadium compound, such as V2O3, VS2 and VN, via a low-temperature wet-chemistry approach followed by a high-temperature annealing process. The home-made materials will be a new sulfur host for Li-S batteries. Then, their structure and electrochemical properties will be measured and compared with reported hosts to clarify the corresponding structure-property relationships. Finally, the interaction between the conductive vanadium oxides and Li2Sn species will be systematically investigated via theoretical simulation and experimental methods to disclose the lithium storage mechanism during discharge/charge processes.

锂硫电池作为一类极具发展前景的高容量储能体系，近年来得到学术界及工业界的广泛关注。但锂硫电池中在实际应用中也存在其本身故有的问题，一是正极复合物导电性较差，二是充放电过程中产生的多聚硫离子的穿梭效应会导致循环稳定性不佳。基于锂硫电池储能机制，对正极复合物的组成及结构进行理性设计，是目前改善锂硫电池性能最行之有效的手段。本项目拟将V2O3、VS2、VN为代表的导电钒基化合物作为研究对象，采用低温液相合成技术结合高温处理的方法制备导电钒基化合物/碳复合材料，并将其作为锂硫电池正极复合物中的基质材料，与硫复合制备成复合电极，对复合物的结构及电化学性质进行测试表征，详细讨论基质材料的物相、尺寸、表面结构对材料电化学性能的影响，结合理论计算和实验方法考察基质材料与多聚硫离子的作用机制，为锂硫电池硫正极结构的理性设计提供依据。

锂硫电池作为一类极具发展前景的高容量储能体系，近年来得到学术界及工业界的广泛关注。在锂硫电池的放电过程中，中间产物多硫化锂（LiPS）溶解带来的穿梭效应会引起活性物质硫的损失、电池自放电、离子（Li+）/电子传输阻力增加，从而导致电池循环稳定性差、库伦效率低、安全性能差等问题，严重阻碍了锂硫电池的商用化。基于锂硫电池储能机制，引入适当的催化剂以促进LiPS的转化，是目前改善锂硫电池性能最行之有效的手段。本项目拟将V2O3、VN为代表的导电钒基化合物作为研究对象，采用低温液相合成技术结合高温处理的方法制备导电钒基化合物/碳复合材料，并将其作为锂硫电池电催化材料，对复合物的结构及电化学性质进行测试表征，详细讨论基质材料的物相、尺寸、表面结构对材料电化学性能的影响，结合结构信息以及多种电化学测试手段考察基质材料与多聚硫离子的作用机制，揭示了导电钒基化合物在LiPS转化反应中的催化作用，为锂硫电池电催化剂的理性设计提供依据。.具体取得的关键成果如下：（1）制备了VN及氮掺杂的石墨烯复合物（VN/NG）。结果表明，VN/NG对于Li2S6的吸附能力较强，且可以更好的促进Li2S的成核生长与分解，表明VN/NG复合材料对于锂硫电池还原氧化过程的双向催化作用。为了从根本上理解VN/NG对还原氧化过程的双向催化作用，我们对选定电位下的活化能进行了测量，结果显示VN/NG材料的电池在各个电位下均表现出更低的反应活化能。据此，VN/NG修饰隔膜后的电池也表现出了优异的长循环性能。（2）在NH3辅助下将制备的V2O5空心球高温还原为V2O3空心球。将V2O3空心球与硫机械混合后，不经过熔融复合，直接作为锂硫电池的正极材料。 电化学测试结果显示，在1C高倍率下，首次放电比容量为710 mAh g-1，经过500次循环，放电比容量仍能达到530 mAh g-1，表明V2O3空心球的加入能够有效提高锂硫电池的循环性能。