基于多孔碳负载的高容量硫电极材料研究

锂-硫电池是最具潜力达到实际能量密度300Wh/kg以上的二次电池体系，实现硫电极材料的高容量与高稳定性是锂-硫电池应用化的关键。本申请主要进行高振实密度、高比表面、窄孔径分布的微孔、微孔/介孔碳材料制备与碳材料孔隙结构的进一步调控；在此基础上，研究不同孔隙结构的多孔碳材料对硫活性物质的高效负载，并研究负载后材料的孔隙结构、界面作用与硫的存在状态与形式(环状与链状)；重点研究硫负载后电极材料的电化学反应行为。探明碳材料的微孔内高效负载硫的控制机制，探讨建立高负载量(大于70wt%)硫电极材料的可溶中间产物在孔内的限定溶解与控制活性物质流失的机制，实现硫电极的高振实密度、高容量和长期循环稳定性的目标，以期构筑具有优良循环性能的高能量密度锂-硫二次电池体系。这将可为未来新型高容量电极材料的探索奠定坚实基础，并有利于高能量密度二次电池体系的构筑与发展，具有重要的科学意义和潜在的应用前景

本项目重点结合高比能锂硫电池体系的设计与应用要求，采用具有大量和稳定来源的商业化多孔碳材料作为负载材料，基于高负载硫的要求，对商业化多孔碳材料进一步扩孔，并结合多重复合的技术路线，以提高硫的活性物质利用率。同时，结合电解液的调配，重点改善硫电极的循环稳定性。.研究工作显示，采用商业化导电碳黑(CCB)作为基质材料来制备硫碳复合材料，再利用原位氧化聚合的方式直接在硫碳复合材料表面包覆聚苯胺(PANI)。制备的PANI@S/C复合材料容量达到1334.4 mAh/g-S，且电极呈现出较高的库伦效率和优良的高倍率充放电性能。为提高硫负载量，需增加基质材料的比表面。为此，本项目将商品导电碳黑(CCB)进一步活化处理制备出高比表面的活化导电碳黑(A-CCB)，并将其作为导电基体负载硫活性物质，进而制备出不同硫含量的硫/A-CCB复合材料。其中，载硫量为64 wt.%时，硫呈高分散状态并有效填充在活化CCB基体的孔内。该复合材料表现出较高的活性硫利用率、放电容量和良好的循环稳定性。在此基础上，为进一步改善硫碳复合材料中碳材料的稳定性和倍率性能，本工作采用硫的双模负载固定方式，制备出硫/部分碳化聚丙烯晴(cPAN)/活化导电碳黑(A-CCB)的多重复合材料，并在不同电解液体系中，详细研究了不同锂盐浓度和不同溶剂对电解液粘度和多重复合材料电化学性能的影响。研究显示，在LiTFSI/DOL/DME电解液中，增加锂盐（LiTFSI）的浓度可显著增加电解液的粘度，稳定多重复合材料的循环寿命，在5M LiTFSI/DOL/DME电解液中多重复合材料具有优良的循环稳定性。当采用高粘度的TEGDME溶剂取代DME时，结合锂盐浓度的增加，电解液的粘度更加显著增加。在3 M LiTFSI/DOL/TEGDME电解液中，该多重复合材料呈现良好的循环稳定性。.在执行期间，本项目申请中国发明专利2项，发表SCI收录论文6篇（已标注），包括Adv. Energy Mater., J. Power Sources, J. Mater. Chem. A和J. Electrochem. Soc等期刊。其中，截止目前，Adv. Energy Mater., 2 (2012) 1238文章单篇引用频次达27次。